JPS5939508B2 - dry etching equipment - Google Patents

dry etching equipment

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JPS5939508B2
JPS5939508B2 JP1071677A JP1071677A JPS5939508B2 JP S5939508 B2 JPS5939508 B2 JP S5939508B2 JP 1071677 A JP1071677 A JP 1071677A JP 1071677 A JP1071677 A JP 1071677A JP S5939508 B2 JPS5939508 B2 JP S5939508B2
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JP
Japan
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etching
discharge
ions
sample
plasma
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JP1071677A
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敬三 鈴木
定之 奥平
一郎 鹿又
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、プラズマを用いたエッチング装置に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an etching apparatus using plasma.

最近、多分野において微細加工技術に対する要求が高ま
つており、特に半導体素子製造においてはμmオーダさ
らにはμm以下の微細加工技術が 3望まれている。
Recently, there has been an increasing demand for microfabrication technology in many fields, and microfabrication technology on the micrometer order and even below micrometers is desired, particularly in semiconductor device manufacturing.

目的によつて加工技術に対する要求も異なるが、例えば
半導体工業への応用を考えると次の点が不可欠である。
(ハ 微細パターン(数μm以下)のエッチングが可能
である。
Requirements for processing technology vary depending on the purpose, but when considering application to the semiconductor industry, for example, the following points are essential.
(c) Etching of fine patterns (several μm or less) is possible.

(2)実用的なエッチング速さ(〜100Λ/分以上)
が得られる。
(2) Practical etching speed (~100Λ/min or more)
is obtained.

(3)基板に対する損傷が少ない。(3) Less damage to the substrate.

(4)基板に対する汚染(特に金属汚染)が少ない。(4) Less contamination (especially metal contamination) on the substrate.

(3)の基板損傷には、加速されたイオンの衝撃による
基板格子の欠陥や、温度上昇によるひずみ等が含まれる
。現在の半導体工業では、基板の上にマスクパターンを
形成し、この上からマスクの開口を通して基板材料のエ
ッチングを行なつている。一般にマスク材料としてはフ
ォトレジストを用いており、微細パターンのマスクを形
成するにはマスクの厚さを薄くする必要がある。このた
め前記1の微細パターンのエッチングを可能にするには
、次の点が要求される。(a)基板材料のみがエッチン
グされ、マスク材料がエッチングされない。
The substrate damage (3) includes defects in the substrate lattice due to the impact of accelerated ions, distortion due to temperature rise, and the like. In the current semiconductor industry, a mask pattern is formed on a substrate, and the substrate material is etched from above through the openings in the mask. Generally, photoresist is used as a mask material, and in order to form a mask with a fine pattern, it is necessary to reduce the thickness of the mask. Therefore, in order to enable the etching of the fine pattern described in 1 above, the following points are required. (a) Only the substrate material is etched, and the mask material is not etched.

即ち、選択性が良い。(b)アンダカツトがない。(c
)マスクと基板との密着性がよくマスクの剥れがない。
That is, the selectivity is good. (b) There is no undercut. (c
) Good adhesion between the mask and the substrate and no peeling of the mask.

上記aは、薄いマスクが基板材料と共にエッチングされ
て消滅しないための要求である。
Item a above is a requirement to prevent the thin mask from being etched away together with the substrate material.

アンダカツトは、第1図に示したごとくマスク2の下側
までエッチングが進み、マスク2の下の基板1の断面が
台形または三角形状にエッチングされることをいう。上
記cはマスクが基板から剥れてその隙間からエッチング
が進行しないための条件である。工ツチング技術は、水
溶液を用いたエッチング技術すなわち湿式エッチングと
、イオンビームやプラズマを用いた乾式エッチングに大
別される。
The undercut means that the etching progresses to the bottom of the mask 2, as shown in FIG. 1, and the cross section of the substrate 1 under the mask 2 is etched into a trapezoidal or triangular shape. The above condition c is a condition that prevents the mask from peeling off from the substrate and etching from proceeding through the gap. Etching techniques are broadly divided into etching techniques using aqueous solutions, that is, wet etching, and dry etching using ion beams or plasma.

湿式エッチングでは、マスクの剥れやアンダカツトが大
きいため、微細加工技術としては、乾式エッチングが優
れている。乾式エッチングは、イオンビームを用いたス
パッタリング(イオンビームスパツタリング)、プラズ
マ中でのスパツタリング(プラズマヌパツタリング)お
よびプラズマ中での化学反応を用いたプラズマ化学エツ
チングに分類される。イオンビームスパツタリングとブ
ラズマスパツタリングは、高エネルギー(一般に1ke
以上)に加速されたイオンによるスパツタ現象を用いて
いる。スパツタ現象では、被エツチング材料の選択性が
悪く、高エネルギーのイオンが基板に衝突するため基板
損傷や基板加熱が生じる。また、試料をはずれたイオン
が試料台をスパツタして試料台材料が試料表面に再付着
するという汚染の問題もある。以上の点を考えると半導
体応用としては、プラズマ化学エツチングが適している
。プラズマ化学エツチングは最近盛んに研究されている
Since wet etching causes large mask peeling and undercuts, dry etching is superior as a microfabrication technology. Dry etching is classified into sputtering using an ion beam (ion beam sputtering), sputtering in plasma (plasma sputtering), and plasma chemical etching using a chemical reaction in plasma. Ion beam sputtering and plasma sputtering require high energy (generally 1ke
The sputtering phenomenon caused by accelerated ions (above) is used. In the sputtering phenomenon, the selectivity of the material to be etched is poor, and high-energy ions collide with the substrate, causing damage to the substrate and heating of the substrate. There is also the problem of contamination, in which ions that have left the sample spatter the sample stage, causing the sample stage material to re-adhere to the sample surface. Considering the above points, plasma chemical etching is suitable for semiconductor applications. Plasma chemical etching has been actively researched recently.

従来のプラズマ化学エツチング装置の大部分はRF(R
adiOFrequency)放電を用いたものである
。第2図は、従来のRF放電を用いたプラズマ化学エツ
チング装置の概略図である。RF電源18で発生したR
F波(通常13.56MHz)は反応管19の外側に設
置された対向電極に印加される。反応管内部は、例えば
Si,SiO2をエツチングする時にはCF4と02と
の混合ガスが導入され〜0.1T0rrのガス圧力にな
るようにしている。試料5は反応管19の内部に電気的
に絶縁された状態で設置されており、放電で生じた活性
原子,分子,イオンによりエツチングされる。プラズマ
化学エツチングでは、エツチングが純粋に化学反応で行
なわれるため基板損傷や加熱が少なく、被エツチング材
料の選択性が良い。しかし、従来のプラズマ化学エツチ
ング装置では、アンダカツトが大きく微細パターンのエ
ツチングが困難になる。第3図に示したごとく、基板に
対して垂直力向にエツチングしたのと同程度横力向にも
エツチングが進み底辺の角度θは〜45力となる。即ち
エツチングは等方向である。アンダカツトの大きくなつ
た理由は次のようである。放電ガス圧力が〜0.1T0
rrで高いため、エツチングに寄与すると思われる活性
原子,分子,イオン(以下、活性粒子)の平均自由行程
は〜0.1mm程度となり放電領域から試料までの距離
(数CWL)に比べてきわめて短い。このため、活性粒
子がプラズマ中で形成されて試料表面に到達するまでに
何回も衝突をくり返えし、ほぼ等力的に(あらゆる力向
から)基板表面に入射する。この結果、エツチングは等
力的となりアンダカツトは大きくなる。従来のプラズマ
化学エツチング技術の置かれている状況をまとめると次
のようになる。
Most conventional plasma chemical etching equipment uses RF (R
adiO Frequency) discharge. FIG. 2 is a schematic diagram of a conventional plasma chemical etching apparatus using RF discharge. R generated in the RF power supply 18
F waves (usually 13.56 MHz) are applied to a counter electrode placed outside the reaction tube 19. For example, when etching Si or SiO2, a mixed gas of CF4 and 02 is introduced into the reaction tube to maintain a gas pressure of ~0.1T0rr. The sample 5 is placed inside the reaction tube 19 in an electrically insulated state, and is etched by active atoms, molecules, and ions generated by the discharge. In plasma chemical etching, since etching is performed purely by chemical reaction, there is little damage to the substrate or heating, and the selectivity of the material to be etched is good. However, conventional plasma chemical etching equipment has large undercuts, making it difficult to etch fine patterns. As shown in FIG. 3, the etching progresses in the lateral force direction to the same extent as the etching in the perpendicular force direction to the substrate, and the base angle θ becomes ~45 force. That is, the etching is isodirectional. The reason why the undercut became larger is as follows. Discharge gas pressure is ~0.1T0
rr, the mean free path of active atoms, molecules, and ions (hereinafter referred to as active particles) that are thought to contribute to etching is approximately 0.1 mm, which is extremely short compared to the distance from the discharge region to the sample (several CWL). . Therefore, active particles are formed in the plasma and collide many times before reaching the sample surface, and are almost uniformly incident on the substrate surface (from all directions of force). As a result, the etching becomes uniform and the undercut becomes large. The current situation of conventional plasma chemical etching technology can be summarized as follows.

即ち、(CF4あるいはC2Cl2+02)等混合ガス
の放電により活性粒子のできるガスを用いることにより
、基板損傷、加熱、汚染が少なく被エツチング材料の選
択性が良いという他の乾式エツチングに見られない長所
を持つている。しかし、エツチングが等力的でアンダカ
ツトが大きいため、結局微細パターンのエツチングとい
う乾式エツチングの最大の目的を果たすことができない
。即ち、プラズマ中での化学反応を用いたという効果が
、微細パターンのエツチングという最終目標に生かされ
ていない。このような結果になつた最大の原因は、高ガ
ス圧力でしか放電しない放電方式(RF放電)を用いて
いたことにある。低ガス圧力で高密度のプラズマが得ら
れる放電力式を用いれば、上述したプラズマ化学エツチ
ングの長所を生かしたまま、アンダカツトの少ないエツ
チングが可能になり、従来にない画期的なエツチング技
術が得られる。本発明は、低ガス圧力、高密度のプラズ
マを用いたプラズマ化学エツチングを主張し、この具体
的力式を提供するものである。本発明の目的は、アンダ
ーカツトの少ないエツチングをすることができるエツチ
ング装置を提供することにある。
In other words, by using a gas that produces active particles by discharging a mixed gas such as (CF4 or C2Cl2+02), it has advantages not found in other dry etching methods, such as less substrate damage, heating, and contamination, and good selectivity of the etched material. I have it. However, since the etching is uniform and the undercut is large, the main purpose of dry etching, which is etching fine patterns, cannot be achieved. That is, the effect of using a chemical reaction in plasma is not utilized for the ultimate goal of etching a fine pattern. The main reason for this result is that a discharge method (RF discharge) that discharges only at high gas pressure was used. By using a discharge force method that produces high-density plasma at low gas pressure, etching with fewer undercuts can be achieved while taking advantage of the above-mentioned advantages of plasma chemical etching, resulting in an unprecedented and revolutionary etching technology. It will be done. The present invention advocates plasma chemical etching using low gas pressure, high density plasma, and provides a specific force formula for this. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an etching apparatus that can perform etching with less undercut.

本発明は、上記の目的を達成するために、その特徴とす
るところは、マイクロ波を発生させる手段と、上記マイ
クロ波を伝達する手段と、上記マイクロ波を吸収して放
電を発生させる放電部分に磁界を発生させる手段とを備
え、上記放電により活性な原子,分子またはイオンが形
成される5×10−3T0rr以下のガヌを上記放電部
分に導入して放電を発生させ、上記活性原子,分子また
はイオンによつて試料をエツチングするエツチング装置
にある。
In order to achieve the above object, the present invention is characterized by a means for generating microwaves, a means for transmitting the microwaves, and a discharge portion that absorbs the microwaves and generates a discharge. a means for generating a magnetic field, and a Ganu of 5×10-3T0rr or less, in which active atoms, molecules or ions are formed by the discharge, is introduced into the discharge part to generate a discharge, and the active atoms, Located in an etching device that etches a sample with molecules or ions.

以下、本発明を具体的実施例により説明する。The present invention will be explained below using specific examples.

第4図は、本発明の実施例の一つを示す。マグネトロン
7で発生したマイクロ波は、矩形導波管8,円形導波管
9を通つて石英管で被われた放電室10に導入される。
放電室には2つのコイル11,1Vと1つの永久磁石1
2によりミラー磁場が形成されている。磁場強度(磁束
密度)の最大値、最小値は〜2kGauss,〜0.5
kGaussが適当であつた。磁場強度および形状は、
厳密な最適値はなく、広範囲に可変である。周波数fの
マイクロ波と電子サイクロトロン共鳴を起こすための磁
束密度Becはf:マイクロ波周波数〔Hz〕 m:電子の質量 e:電子の電荷 で与えられる。
FIG. 4 shows one embodiment of the invention. Microwaves generated by the magnetron 7 are introduced into a discharge chamber 10 covered with a quartz tube through a rectangular waveguide 8 and a circular waveguide 9.
There are two coils 11,1V and one permanent magnet 1 in the discharge chamber.
2 forms a mirror magnetic field. The maximum and minimum values of magnetic field strength (magnetic flux density) are ~2kGauss, ~0.5
kGauss was suitable. The magnetic field strength and shape are
There is no exact optimum value, and it is variable over a wide range. The magnetic flux density Bec for causing electron cyclotron resonance with a microwave of frequency f is given by f: microwave frequency [Hz] m: mass of electron e: charge of electron.

例えば、家電品用に大量生産されているマグネトロンを
用いると周波数は2.45GHzであり、この時のBe
cは875Gaussとなる。一般に、磁束密度をこの
Becよりも大きくするとマイクロ波は効率良くプラズ
マに吸収され、安定した高密度の放電が得られる。磁場
形状をミラータイプにしたのはこの力が放電が安定しプ
ラズマ密度が大きくなるからであり、必ずしもミラータ
イプでなくても放電は可能である。円形導波管9内は大
気圧であり、放電室と試料室13が真空に排気されてい
る。リークバルブ4を通して放電ガスを所定の圧力に導
入してマイクロ波放電を発生させる。なお放電室の壁は
空気孔16,16′により空冷されている。永久融石の
上に絶縁台14を介して試料台15がめり、この上に試
料5が設置され放電により生じた活性粒子によりエツチ
ングされる。例えばSiまたはSiO2をエツチングす
る時には、CF4と02との混合ガスを用いるのが適し
ている。しかし、放電ガス種は一意に決まつているわけ
ではない。例えば上記混合ガス.の場合CF4のかわり
にC2F6を用いてもよいし、もつと一般にCF4と類
似の化学的性質すなわち、放電により活性粒子となりう
る性質を持つたものならば文換可能である。本装置を用
いた場合、5×10−1T0rrのガス圧力以上で放電
が可能であり、さらに、1×10−4T0rr以上のガ
ヌ圧力で安定した放電が得られる。
For example, when using a magnetron that is mass-produced for home appliances, the frequency is 2.45 GHz, and the Be
c becomes 875 Gauss. Generally, when the magnetic flux density is made larger than this Bec, microwaves are efficiently absorbed by the plasma, and a stable high-density discharge can be obtained. The magnetic field shape is made into a mirror type because this force stabilizes the discharge and increases the plasma density, and discharge is possible even if it is not necessarily a mirror type. The inside of the circular waveguide 9 is at atmospheric pressure, and the discharge chamber and sample chamber 13 are evacuated. A discharge gas is introduced to a predetermined pressure through the leak valve 4 to generate microwave discharge. Note that the walls of the discharge chamber are air-cooled by air holes 16, 16'. A sample stand 15 is placed on top of the permanent molten stone via an insulating stand 14, and a sample 5 is placed thereon and etched by active particles generated by electric discharge. For example, when etching Si or SiO2, it is suitable to use a mixed gas of CF4 and 02. However, the type of discharge gas is not uniquely determined. For example, the above mixed gas. In the case of CF4, C2F6 may be used instead of CF4, and in general, it can be used as long as it has chemical properties similar to CF4, that is, the property that it can become active particles by electric discharge. When this device is used, discharge is possible at a gas pressure of 5×10 −1 T0rr or higher, and stable discharge can be obtained at a Ganu pressure of 1×10 −4 T0rr or higher.

したがつて5×10−5T0rr以上でエツチングが可
能である。次に発生したプラズマのプラズマ密度Np,
電子温度Teを探針法により測定すると、・Ne=1,
7〜7×1011c7rL−3,kTe−3〜5eとな
る。ただし、kはボルツマン定数である。従来のプラズ
マ化学エツチングに用いられているRF放電は、10−
3T0rrのガス圧以上で放電可能であるが、実用的な
エツチングスピードを得るために、実際には0,1T0
rr以上のガス圧力で行なわれている。また、プラズマ
パラメータは、Ne−2〜7×109?−3,Te−8
〜12eである(C.C.GOOdyearandA.
VOnEngel:PrOc.Phys.SOc.79
(1962)732〜740)。したがつて、本装置で
は従来装置に比べ103倍もの低いガス圧力でエツチン
グ可能であり、この時のプラズマ密度は102倍程度大
きいことになる。第5図に、本装置を用いてSi基板の
上にAlマヌク(800八)を形成した試料をエツチン
グし、断面をSEM(ScanningElectrO
nMicrO−ScOpe)で観察した写真の模写を示
す。
Therefore, etching is possible at 5×10 −5 T0rr or more. The plasma density Np of the next generated plasma,
When the electron temperature Te is measured by the probe method, ・Ne=1,
7~7x1011c7rL-3, kTe-3~5e. However, k is Boltzmann's constant. The RF discharge used in conventional plasma chemical etching is
Although it is possible to discharge at a gas pressure of 3T0rr or more, in order to obtain a practical etching speed, it is actually 0.1T0rr.
This is done at a gas pressure of rr or more. In addition, the plasma parameters are Ne-2~7x109? -3,Te-8
~12e (C.C.GOOdearandA.
VOnEngel: PrOc. Phys. SOc. 79
(1962) 732-740). Therefore, this apparatus can perform etching at a gas pressure 103 times lower than that of the conventional apparatus, and the plasma density at this time is about 102 times higher. Figure 5 shows a sample in which Al manuk (8008) was formed on a Si substrate using this device.
A reproduction of a photograph observed with nMicrO-ScOpe is shown.

エツチング時のマグネトロン出力は180W1放電ガヌ
はCF4と02との混合ガヌで02の分圧が20%であ
る。02の分圧は厳密ではなくO(:f)でもエツチン
グ可能である。
The magnetron output during etching is 180 W. The discharge gun is a mixture of CF4 and 02, and the partial pressure of 02 is 20%. The partial pressure of 02 is not strict, and etching can be performed even at O(:f).

ただし分圧が20%の時エツチング速さは最大である。
また、ガス圧力は第5図aの場合は5×10−4T0r
r,bの場合は5×10−3T0rr,cの場合は0.
1T0rrである。放電ガス圧力pが5×104T0r
rの場合すなわち、第5図aでは、1μmパターンがア
ンダカツトなく1μm深さまでエツチングされている。
これは、従来のプラズマ化学エツチングでは不可能なこ
とであり、本発明の装置により初めて可能となつたこと
である。この時のエツチング速さは200〜500人/
分であり実用的なエツチング速さである。またマスク材
料(Al)は、まつたくエツチングされておらず本装置
のエツチングの選択性の良さを示している。第5図B,
cには放電ガヌ圧力が大きくなるにしたがつてアンダカ
ツトが現われてくる様子が示されている。ガス圧力が5
×10−3T0rrでは少しアンダカツトが見られパタ
ーンの上部が少し丸みを滞びてエツチングされている。
ガス圧力が0.1T0rrの場合では、パターンは三角
形状にエツチングされている。三角形の底辺の角θは〜
50チであり、エツチングがほぼ等力的に行なわれてい
ることを示している。第6図は、SiとSiO2のエツ
チング速さRSi,r8lO2およびこれらの比η−R
8lO2/R8lと、ガス圧力Pとの関係を示している
However, the etching speed is maximum when the partial pressure is 20%.
In addition, the gas pressure is 5×10-4T0r in the case of Figure 5a.
In the case of r and b, 5×10-3T0rr, in the case of c, 0.
It is 1T0rr. Discharge gas pressure p is 5×104T0r
In case r, that is, in FIG. 5a, a 1 .mu.m pattern is etched to a depth of 1 .mu.m without undercuts.
This is not possible with conventional plasma chemical etching, and is made possible for the first time by the apparatus of the present invention. The etching speed at this time was 200 to 500 people/
minutes, which is a practical etching speed. Furthermore, the mask material (Al) was not completely etched, indicating the good etching selectivity of this apparatus. Figure 5B,
Figure c shows how an undercut appears as the discharge gun pressure increases. gas pressure is 5
For ×10-3T0rr, there is a slight undercut, and the upper part of the pattern is etched with a slight delay in rounding.
When the gas pressure is 0.1T0rr, the pattern is etched in a triangular shape. The angle θ at the base of the triangle is ~
50 inches, indicating that the etching is performed almost isokinetically. Figure 6 shows the etching speed RSi, r8lO2 of Si and SiO2 and their ratio η-R.
The relationship between 8lO2/R8l and gas pressure P is shown.

エツチングガスは、CF4に02を20%分圧混入した
ものでマグネトロン出力は180Wである。Pが4×1
0−3T0rr以下ではR8l+300〜500人/分
,R5lO2+100〜300λ/分であり、η−0.
5〜1である。一力、Pが5XI0−3T0rrより大
きくなると、R8lは少し増大しているのにR8lO2
は急激に減少しており、この結果ηは急激に減少して0
.03以下になる。したがつて、ガヌ圧力PがPcr−
4〜5×10−3T0rrを境いにして反応機構が急激
に変化している。従来のRF放電を用いたプラズマ化学
壬ツチングはP+0.1T0rrのガス圧力で行なわれ
ており、P>POrの領域に対応している。事実、従来
のRF放電を用いた装置ではη+0.03(Y.HOr
iikeandShibagaki:PrOceedi
ngsOfthe7thCOnferenceOnSO
lidStateDevices.TOkyOl975
.pPl3〜18)である。第7図は、放電室と試料を
結ぶ力向と試料の法線20とのなす角δ(第8図参照)
を変化させてエツチンタ化た時の断面形状のSEM写真
の模写を示す。
The etching gas was CF4 mixed with 02 at a partial pressure of 20%, and the magnetron output was 180W. P is 4×1
Below 0-3T0rr, R8l+300 to 500 people/min, R5lO2+100 to 300λ/min, and η-0.
5-1. In other words, when P becomes larger than 5XI0-3T0rr, R8lO2 increases even though R8l increases slightly.
is rapidly decreasing, and as a result, η is rapidly decreasing to 0.
.. Becomes 03 or less. Therefore, the Ganu pressure P is Pcr-
The reaction mechanism changes rapidly at 4 to 5×10 −3 T0rr. Conventional plasma chemical etching using RF discharge is performed at a gas pressure of P+0.1T0rr, which corresponds to the region P>POr. In fact, in a device using conventional RF discharge, η+0.03(Y.HOr
iikeandShibagaki: PrOceedi
ngsOfthe7thConferenceOnSO
lidStateDevices. TOkyOl975
.. pPl3-18). Figure 7 shows the angle δ between the direction of force connecting the discharge chamber and the sample and the normal line 20 to the sample (see Figure 8).
A reproduction of a SEM photograph of the cross-sectional shape when etching is performed by changing the is shown.

エツチングガスは(CF4+02)の混合ガスで02の
分圧が20(f),マグネトロン出力は180!W,ガ
ス圧力は5×10−4T0rrである。
The etching gas is a mixed gas of (CF4+02), the partial pressure of 02 is 20 (f), and the magnetron output is 180! W, gas pressure is 5×10 −4 T0rr.

これを見ると、角度δを大きくしていくと、パターンの
側面と試料面の法線とのなす角βはOより少し大きくな
るがδよりかなり小さな変化である。もしエツチングが
中性のラジカル21により行なわれjていると『ると、
βはδと同じ角度になるはずである(第9図参照)。一
力、エツチングがイオンにより行なわれているとすると
、後に述べるごとく試料前面に形成されたイオンシース
内の電気力線にそつてイオンは加速される。電気力線の
力向.はδに関係なく試料表面に垂直であるためエツチ
ングもδに関係なくはぼ垂直に行なわれる。ただし磁場
の効果を考慮すると、δがO以外の時にβもOから少し
ずれることになるが、このずれはδに比べてかなり小さ
い。第7図の結果と上の考察.からP−5×10−4T
0rrで本装置を用いた場合、エツチングはイオンによ
り行なわれていると結論できる。一力、従来のRF放電
を用いたエツチング装置では、イオンのない領域でもエ
ツチング可能であり、明らかにエツチングは中性ラジカ
ルにより行なわれている(NIKKEIELECTRO
NICS(1976)8.23P96)。P=Pc,−
4〜5X10−3T0rrの所でηが急激に変化してい
るが、この圧力を境いにしてP〈PO,ではエツチング
はイオンにより、P>POrではエツチングは中性ラジ
カルにより行なわれている。
Looking at this, as the angle δ increases, the angle β between the side surface of the pattern and the normal to the sample surface becomes slightly larger than O, but the change is considerably smaller than δ. If etching is performed by neutral radicals 21, then
β should be the same angle as δ (see Figure 9). Assuming that etching is performed by ions, the ions are accelerated along the lines of electric force within the ion sheath formed in front of the sample, as will be described later. Force direction of electric lines of force. is perpendicular to the sample surface regardless of δ, so etching is also performed almost perpendicularly regardless of δ. However, if the effect of the magnetic field is taken into account, when δ is other than O, β will also deviate slightly from O, but this deviation is quite small compared to δ. Results in Figure 7 and discussion above. From P-5×10-4T
When this apparatus is used at 0rr, it can be concluded that etching is performed by ions. First, with conventional etching equipment using RF discharge, it is possible to etch even regions without ions, and it is clear that etching is performed by neutral radicals (NIKKEI ELECTRO).
NICS (1976) 8.23P96). P=Pc,-
.eta. changes rapidly between 4 and 5.times.10@-3T0rr, and after this pressure, when P<PO, etching is performed by ions, and when P>POr, etching is performed by neutral radicals.

従来のRF放電を用いた装置では、P>Pcrの領域で
しかエツチングが行なえなかつたが、本発明の装置によ
りP<POrでのエツチングが初めて可能となつた。
With conventional equipment using RF discharge, etching could only be performed in the region where P>Pcr, but with the equipment of the present invention, etching where P<POr was possible for the first time.

P<PO,でのエツチングが可能になつたのは、本装置
により低ガス圧力で高密度のプラズマが得られたからで
ある。この結果、後に述べる理由によりアンダカツトの
ないエツチングが初めて可能となつた。Pcrを境にし
てエツチングに寄与する粒子がイオンから中性粒子に変
化するのは次の理由による。
Etching with P<PO has become possible because this apparatus can provide high-density plasma at low gas pressure. As a result, etching without undercuts became possible for the first time for reasons described later. The reason why the particles contributing to etching change from ions to neutral particles at Pcr is as follows.

即ち、放電のプラズマ密度(ニイオン密度)は放電ガス
圧力によりあまり変化しないが中性粒子密度は放電ガス
圧力に比例して増大する。この結果、ガス圧力が大きく
なると中性粒子がエツチングに与える寄与が大きくなる
。また、放電ガヌ圧力が大きくなると電子の平均自由行
程が短くなりこの結果電子の平均運動エネルギが小さく
なる。このため、電子はCF4等のガスを分解して中性
ラジカルをつくることはできるが、これらをイオン化す
ることができなくなり、エツチングはイオンよりも主に
中性粒子により行なわれるようになる。放電のプラズマ
密度や活性粒子のイオン化エネルギは放電ガス種によつ
てあまり変化しないため、エツチングを行なう粒子が中
性粒子からイオンに変化するガヌ圧力P。rは放電ガス
種(例えば、C2F6,C3F8,CCl4等)によつ
てあまり変化せず、第6図の実1験で求めた如く4〜5
×10−3T0rrである。ただし、放電室(の試料側
の端縁)と試料との距離Dがあまり長くなると、イオン
は放電室で発生してから試料に到達するまでに中性粒子
と何回も衝突をくり返えし、拡散および中性化すること
によりイオン密度が減少してしまう。このためエツチン
グを主にイオンで行なうためには、イオンの平均自由行
程をλiとした時D≦λiであることが望ましい。放電
ガス圧力がPcr−4〜5×10−3T0rrの時のλ
iは〜数?であるため、D≦数?であることが望ましい
。ただし、λiは放電ガス圧力Pに逆比例するためPを
低くすれはDをもつと長くしてもかまわない。たとえば
P=5X10−4T0rrではD≦数10(1−70で
かまわない。本発明の装置によりアンダカツトのないエ
ツチングを行なうためには、エツチングが主にイオンで
行なわれることと、後に述べる理由によりイオンシース
の幅をDi8とした時、λi》Di8であることとが必
要であるら一般にDi8+0.1mmの程度であるから
、λiとしては?の長さが必要でありこのためには放電
ガス圧力Pが、数×10−3T0rr以下であることが
必要である。この時、P<POrの条件も満足され、エ
ツチングが主にイオンで行なわれるという条件も満たさ
れる。本装置によりアンダカツトのないエツチングが可
能になつた理由がエツチングがイオン化したラジカル(
活性原子,分子)により行なわれていることにつき理論
的に説明する。試料は電気的に絶縁されているため、プ
ラズマに対してフローテイングポテンシヤルV,(f<
O)になつており、試料の前面にイオンシースが形成さ
れている。
That is, the plasma density (nion density) of the discharge does not change much depending on the discharge gas pressure, but the neutral particle density increases in proportion to the discharge gas pressure. As a result, as the gas pressure increases, the contribution of neutral particles to etching increases. Furthermore, as the discharge pressure increases, the mean free path of the electrons becomes shorter, and as a result, the average kinetic energy of the electrons becomes smaller. For this reason, although electrons can decompose gases such as CF4 to create neutral radicals, they are no longer able to ionize them, and etching is performed primarily by neutral particles rather than ions. Since the plasma density of the discharge and the ionization energy of active particles do not change much depending on the type of discharge gas, the Ganu pressure P at which the particles to be etched change from neutral particles to ions. r does not change much depending on the type of discharge gas (for example, C2F6, C3F8, CCl4, etc.), and is 4 to 5 as determined in experiment 1 shown in Figure 6.
×10-3T0rr. However, if the distance D between the discharge chamber (the edge on the sample side) and the sample is too long, the ions will collide with neutral particles many times from the time they are generated in the discharge chamber until they reach the sample. However, the ion density decreases due to diffusion and neutralization. Therefore, in order to perform etching mainly using ions, it is desirable that D≦λi, where λi is the mean free path of the ions. λ when the discharge gas pressure is Pcr-4 to 5×10-3T0rr
Is i a number? Therefore, D≦number? It is desirable that However, since λi is inversely proportional to the discharge gas pressure P, it does not matter if P is lowered or D is increased. For example, when P=5X10-4T0rr, D≦numerical 10 (1-70 is acceptable.In order to perform etching without undercuts using the apparatus of the present invention, etching is mainly performed with ions, and for the reasons described later, ion etching is required. When the width of the sheath is Di8, if it is necessary that λi》Di8, it is generally about Di8 + 0.1 mm, so λi must have a length of ?, and for this, the discharge gas pressure P must be less than a few times 10-3T0rr.At this time, the condition of P<POr is also satisfied, and the condition that etching is mainly performed with ions is also satisfied.This device allows etching without undercuts. The reason why etching is possible is because of ionized radicals (
Theoretical explanation of what is done by active atoms, molecules). Since the sample is electrically insulated, the floating potential V, (f<
O), and an ion sheath is formed in front of the sample.

フローテイングポテンシヤルfは深針理論から計算され
てと表わされる。
The floating potential f is calculated from the deep needle theory and is expressed as:

本装置の探針測定の結果を用いてKTe−3.8eVと
し、P+イオンを想定してAl9とするとf=−18V
となる。イオンシースの幅Di8は、ラミングミユアー
チヤイルドの式から計算されて、となる。
Using the results of the probe measurement of this device, we set KTe to -3.8eV, assuming P+ ions and set Al9 to f = -18V.
becomes. The width Di8 of the ion sheath is calculated from the Lamming-Miller-Child formula as follows.

N,−3.3X1011cfn−3とすると、0.08
m77!+0.1m77!となる。プラズマの電離度α
をDis で定義すると、探針測定によれば本装置の電離度は約2
0/)である。
N, -3.3X1011cfn-3, 0.08
m77! +0.1m77! becomes. Plasma ionization degree α
When Dis is defined as Dis, the degree of ionization of this device is approximately 2 according to the probe measurement.
0/).

したがつて、イオンの平均自由行程λiは中性粒子との
衝突により決定されて、ガス圧力Pに逆比例しP−5X
10−4T0rrの時λiは2CT!Lになる。イオン
はプラズマの中を熱運動している。
Therefore, the mean free path λi of an ion is determined by collisions with neutral particles and is inversely proportional to the gas pressure P and is P-5X
When 10-4T0rr, λi is 2CT! It becomes L. Ions are in thermal motion within the plasma.

圧力が5×10−4T0rrの時、Di8《λiである
。またイオン温度をT1とすると、一般にKTl〈1V
fIである。したがつて、イオンがプラズマとイオンシ
ーヌの境界を横切ると、電界によつて無衝突で加速され
基板に垂直に入射する(第10図a参照)。この結果、
エツチングは垂直力向にのみ進みアンダカツトがなくな
る。ガス圧力が高くなるとDi8≧λiとなりイオンは
イオンシース内内で衝突をくり返えし、基板に等力的に
入射する(第10図b参照)。ガス圧力Pが0.1T0
rrのときはλ1は0.1u程度ある。この結果、アン
ダカツトが大きくなる。試料はプラズマに対してフロー
テイングポテンシヤルf(z−18V)になつている。
When the pressure is 5×10 −4 T0rr, Di8<λi. Also, if the ion temperature is T1, generally KTl<1V
It is fI. Therefore, when ions cross the boundary between the plasma and the ion scene, they are accelerated by the electric field without collision and are incident perpendicularly to the substrate (see FIG. 10a). As a result,
Etching proceeds only in the direction of vertical force, eliminating undercuts. When the gas pressure increases, Di8≧λi, and the ions repeatedly collide within the ion sheath and are equiforced to the substrate (see FIG. 10b). Gas pressure P is 0.1T0
When rr, λ1 is about 0.1u. As a result, the undercut becomes larger. The sample has a floating potential f (z-18V) with respect to the plasma.

イオンは EvfIだけ加速されるが、このエネルギー
は試料をヌパツタするのに不十分であり、エツチングは
純粋に化学反応により行なわれる。このため、試料基板
の損傷,加熱,汚染が少ないことや、被エツチング材料
の選択性が良い等の従来のプラズマ化学エツチング装置
が有していた長所は、本装置にも維持されている。また
、マイクロ波放電は無極放電であるため放電室を石英管
で被うことができる。Si,SiO2をエツチングする
ためにCF4と02の混合ガスを用いたが、放電ガス種
を適当に選ぶことにより他の材料のエツチングも可能で
ある。この時、アンダカツトのない微細パターンのエツ
チングが可能となることは、Si,SiO2の場合と同
様である。本装置の放電ガス圧力は広範囲に可変でぁり
、このためアンダカツトの程度を自由にかえられる。放
電ガス圧力を適当に選ぶことにより第3図の角度θを9
0力から45ぶまで自由に変えることができる。角度θ
とガヌ圧との関係を第11図に示す。この特徴の応用例
としては、例えば分光器用回折格子のエツチングがある
。また、半導体素子の集積度を向上させるためには、パ
ターンのエツチング形状の角度θを90にした力がよい
The ions are accelerated by EvfI, but this energy is insufficient to etch the sample, and etching is performed purely by chemical reaction. Therefore, the advantages of conventional plasma chemical etching apparatuses, such as less damage, heating, and contamination of the sample substrate and good selectivity of the material to be etched, are maintained in this apparatus. Further, since microwave discharge is a non-polar discharge, the discharge chamber can be covered with a quartz tube. Although a mixed gas of CF4 and 02 was used to etch Si and SiO2, it is also possible to etch other materials by appropriately selecting the type of discharge gas. At this time, etching of fine patterns without undercuts is possible, as in the case of Si and SiO2. The discharge gas pressure of this device can be varied over a wide range, so the degree of undercut can be changed freely. By appropriately selecting the discharge gas pressure, the angle θ in Fig. 3 can be changed to 9.
It can be freely changed from 0 force to 45 force. Angle θ
FIG. 11 shows the relationship between the pressure and the Ganu pressure. An example of an application of this feature is, for example, the etching of a diffraction grating for a spectrometer. Further, in order to improve the degree of integration of semiconductor elements, it is preferable to set the angle θ of the pattern etching shape to 90 degrees.

しかし、エツチング後に行なわれる配線の工程を考える
と、第12図に示すごとく頭部を少し斜めにエツチング
した力が配線の段切れが少なくなる。本装置により3ガ
ス圧力の高い状態(10−2〜10−1T0rr)で初
期のエツチングを行ない、その後ガス圧力の低い状態(
1い〜10−3T0rr)で所定の深さでエツチングす
ることにより、第12図のような形状のパターンが得ら
れる。本実施例では、矩形,円形導波管を用いてマイク
ロ波を伝達したが他の力法例えば同軸導波管を用いても
低ガス圧力で高密度のプラズマが得られれば同様の結果
が得られることは当然である。第13図に、本発明の別
の実施例を示す。
However, if we consider the wiring process to be performed after etching, the force of etching the head slightly obliquely as shown in FIG. 12 will reduce the number of disconnections in the wiring. With this device, initial etching is performed at a high gas pressure (10-2 to 10-1T0rr), and then at a low gas pressure (10-2 to 10-1T0rr).
By etching to a predetermined depth at a depth of 1 to 10-3T0rr), a pattern having a shape as shown in FIG. 12 is obtained. In this example, rectangular and circular waveguides were used to transmit microwaves, but similar results can be obtained using other force methods, such as a coaxial waveguide, as long as high-density plasma can be obtained at low gas pressure. It is natural that it will be done. FIG. 13 shows another embodiment of the invention.

第4図の実施例と異なるのは、試料および試料台に外部
から試料電源17を用いて電圧を印加できるようにした
ことである。第4図の実施例ではイオンはフロー子イン
クポテンシャルVf(−18V)により加速されて基板
に入射する。基板損傷を極度に嫌う応用例には、このイ
オン衝突が問題となることがある。本実施例の電源17
により、試料電位をプラズマ電位と等しくすることによ
りイオンはイオン温度Ti(KTi〈1Vf1)に相当
したエネルギーでしか基板に入射しなくなり、基板損傷
は減少される。しかしこの場合アンダカツトは第4図の
場合より増大する。また、プラズマに対して負の電位を
印加することにより化学反応の他にスパツタリンダを並
行して行なうことができる。この結果、エツチング速さ
を向上できる。しかし基板損傷、加熱が問題となる分野
には試料に冷却装置を具備する必要がある。また、本実
施例は、SiO2のような絶縁物の試料には用いられな
い。
The difference from the embodiment shown in FIG. 4 is that a voltage can be applied to the sample and the sample stage from the outside using a sample power supply 17. In the embodiment shown in FIG. 4, the ions are accelerated by the flow ink potential Vf (-18V) and are incident on the substrate. This ion collision may become a problem in applications where damage to the substrate is extremely important. Power supply 17 of this embodiment
By making the sample potential equal to the plasma potential, ions will only be incident on the substrate with energy corresponding to the ion temperature Ti (KTi<1Vf1), and damage to the substrate will be reduced. However, in this case the undercut is greater than in the case of FIG. Further, by applying a negative potential to the plasma, sputtering can be performed in parallel with the chemical reaction. As a result, the etching speed can be improved. However, in fields where substrate damage and heating are a problem, it is necessary to equip the sample with a cooling device. Furthermore, this example cannot be used for samples of insulators such as SiO2.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はアンダカツトの様子を示す図、第2図は従来の
RF放電を用いたプラズマ化学エツチング装置を示す図
、第3図はアンダカツトの底辺の角度θを示す図、第4
図は本発明において用いるプラズマ化学エツチング装置
の断面図、第5図は本発明による場合のエツチングの断
面図、第6図ガス圧力と、Si,SiO2のエツチング
速度の関係を示す曲線図、第7図はδの説明図、第8図
はδを変化させた時のエツチングの断面図、第9図はエ
ツチングが中性ラジカルで行なわれることの説明図、第
10図はアンダカツトが減少することの説明図、第11
図はガヌ圧力とアンダカツトの角度との関係を示す曲線
図、第12図は本方式の用途の一例を示す図、第13図
は本発明の別の実施例を示す図である。 1・・・・・・基板、2・・・・・・マスク、7・・・
・・・マグネトロン、8・・・・・矩形導波管、9・・
・・・・円形導波管、10・・・・・・放電室、11,
11t・・・・・コイル、12・・・・・・永久磁石、
13・・・・・・試料室、14・・・・・・絶縁台、1
5・・・・・・試料台、16,16/・・・・・・空気
孔、20・・・・・・試料表面の法線、21・・・・・
・中性ラジカル。
Figure 1 is a diagram showing the undercut, Figure 2 is a diagram showing a conventional plasma chemical etching apparatus using RF discharge, Figure 3 is a diagram showing the angle θ of the bottom of the undercut, and Figure 4 is a diagram showing the undercut.
5 is a sectional view of the plasma chemical etching apparatus used in the present invention, FIG. 5 is a sectional view of etching according to the present invention, FIG. 6 is a curve diagram showing the relationship between gas pressure and etching rate of Si and SiO2, and FIG. The figure is an explanatory diagram of δ, Fig. 8 is a cross-sectional view of etching when δ is changed, Fig. 9 is an explanatory diagram of etching performed with neutral radicals, and Fig. 10 is an illustration of the reduction of undercuts. Explanatory diagram, 11th
The figure is a curve diagram showing the relationship between Ganu pressure and the undercut angle, FIG. 12 is a diagram showing an example of the application of this method, and FIG. 13 is a diagram showing another embodiment of the present invention. 1...Substrate, 2...Mask, 7...
...Magnetron, 8...Rectangular waveguide, 9...
...Circular waveguide, 10...Discharge chamber, 11,
11t... Coil, 12... Permanent magnet,
13...Sample chamber, 14...Insulation stand, 1
5... Sample stage, 16, 16/... Air hole, 20... Normal line to sample surface, 21...
・Neutral radical.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 マイクロ波を発生させる手段と、上記マイクロ波を
伝達する手段と、上記マイクロ波を吸収して放電を発生
させる放電部分に磁界を発生させる手段とを備え、上記
放電により活性な原子、分子またはイオンが形成される
5×10^−^3Torr以下のガスを上記放電部分に
導入して放電を発生させ、上記活性原子、分子またはイ
オンによつて試料をエツチングすることを特徴とするエ
ッチング装置。
1.Equipped with a means for generating microwaves, a means for transmitting the microwaves, and a means for generating a magnetic field in a discharge part that absorbs the microwaves and generates an electric discharge, the apparatus comprises a means for generating microwaves, a means for transmitting the microwaves, and a means for generating a magnetic field in a discharge part that absorbs the microwaves and generates an electric discharge, and the electric discharge generates active atoms, molecules, or An etching apparatus characterized in that a gas at a pressure of 5×10^-^3 Torr or less in which ions are formed is introduced into the discharge portion to generate a discharge, and a sample is etched by the active atoms, molecules or ions.
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