JPS62149133A - 基板の表面処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は、基板の表面処理装置に係り、特に半導体基板
等の微細なエツチング加工や表面のクリーニングに好適
なりラスタイオンビームを用いた表面処理装置に関する
。

（発明の背ｔ） 従来より、電気化学的手法である湿式エツチング技術に
よらず、基板の表面あるいは基板上の薄膜層をエツチン
グする方法として、いわゆるプラズマを利用したドライ
エツチング法が知られている。

特に、イオン化した粒子を加速して表面をエツチングす
る方法は、 （イ）　エツチング速度が大きいこと、および（ロ））
　基板上に２４以上の薄膜層がある場合にも、ガスプラ
ズマの種類を変えることによって、ある特定の薄膜層の
みを選択的にエツチングできる、 などの利点がある点で注目されている。この方法は、基
本的には次の２つの方式に大別される。

（１）　　エツチングを行なおうとする基板を負の放電
電極とし、エツチングに寄与する族１！推持用ガスの助
けをかりてグロー放電を形成し、プラズマ中のイオンや
ラジカルを、負電圧の印加された放電電極である基板に
向けて加速し、基板上の薄膜層をエツチングする、いわ
ゆる「放電領域で作業する方式」 （２）　　放電を維持し、エツチング用ガスのイオン化
を行なうプラズマ生成室の出口から、負電圧を印加した
イオン引出し電極によって、イオンを比較的高真空側に
引出すと共に加速し、飛程方向や運動エネルギーの比較
的揃ったビーム状のイオンを基板上に照射する、いわゆ
る「高真空領域で作業を行なう方式」 前記（１）の方式は、装置の構造が簡単でエツチング速
度が比較的大きく、比較的大きな基板でも均一にエツチ
ングできる反面、 げ）　基板を放電電極としてエツチングするので基板の
温度が上昇する。

（ロ）　エツチングに方向性がない。

ｅ９　　イオンの運動エネルギーが不揃いでエツチング
のフロント面が多孔質的になりやすい、などの欠点があ
る。

また、前記（２）の方式は、装置の構造が複雑になり、
基板が大きくなると、イオン化室を大きくしなければな
らないこと、またエツチング速度が遅いなどという欠点
はあるが、高真空領域にイオンを引出し、加速して基板
に照射させるため、基板の温度か上昇しない、加速のエ
ネルギーと方向が比較的揃っているために方向性のエツ
チングができるなどの利点がある。

（発明の目的） 本発明は、上述の従来方式の欠陥を除去し、これら（１
１（２＋１方式の長所を兼ね備えた基板の表面処理装置
を提供するものであり、その目的とする所は・構造が簡
単で、エツチング速度が比較的大きく、しかも各種の基
板（金属、半導体、絶縁物〕あるいは基板上の薄Ｗを均
一にエツチングすることのできる表面処理装置を与える
ことである。

（発明の概要） 本発明は、エツチングガスを１個または複数個の噴射ノ
ズル（噴出孔）を有するガス室に導入してエツチングガ
スの液化温度以下に冷却し、ガス室内にエツチングガス
の平衡状態を保持しながら、噴射ノズルから高真空領域
（１０’　Ｔｏｒｒ　以下の圧力で、ガス室内との間に
１０倍以上の圧力差を有する）に超音速で噴射させ、断
熱膨張による過冷却状態を噴射ノズルの近傍に形成させ
、それによって過飽和による凝縮によってクラスタをっ
（す、さらにこのクラスタをイオン化してクラスタイオ
ンとし、イオン引出し電極に与えた負の高電圧によって
クラスタ全体に運動エネルギーを与え。

質１電荷比を小さくして絶縁物基板の上も容易にエツチ
ングできるようにしたことが特徴である。

（発明の実施例） 纂１図は本発明の一実施例を示すものであって・これに
基いて大発明の動作原理を説明する。

ベルジャ１内を排気孔２から排気し、ｌＯ〜１０””　
’ｒｏｒｒの真空度に保つ。このベルジャ内に。

−組のクラスタ発生室３とイオン化機構部４およびイオ
ン引出し電極５とを、中心軸線上に対向して配電する。

電源６は数ＫＶ以上の直流高圧電源である。直流高圧電
源６によって、イオン化機構部４が正。

イオン引出し電極５が負になるように高電圧を印加する
。ここで電源電圧を数ＫＶ以上としたのはイオン化した
クラスタイオンに十分な運動エネルギーを与えることを
目的としている。

イオン化機構部４において、矩形断面を持った電子リペ
ラ７の内側に設けた。−倦きまたは複数捲きの電子放射
用コイル状フィラメント８の加熱電力は、電子放射用フ
ィラメント加熱電源１１から供給される。

その結果、前記フィラメント８から放出される電子は、
電子リペラ７とフィラメント８および放出された電子の
引き出し用のグリッド電極９との間に発生される電界に
よって、下向きに加速、集束され、クラスタ発生室３の
上面の中心軸上に設けたガス噴射用小孔またはノズル１
０に射突する。

電子放射用フィラメント８から放射された電子のグリッ
ド電極９に向けての電界は、イオン化加速電５第１５か
ら、電子放射用フィラメント８が負、グリッド電極９が
正極性になるように直流高電圧を印加することによって
形成される。

イオン化加速電源１５は数百７以上の直流高圧１！源で
あり、本発明者らの実験は、数ＫＶまで変化させておこ
なった。

クラスタ発生室３の内部にもうけられたガス圧力調節室
１２に、エツチングに用いるガスをガス導入バルブ２４
から導入し、その温度を、ガス圧力調節室１２内の蒸気
圧が１０　〜ＬｏＴ’ｏｒｒとなるようにガス導［１４
節用補助ヒータ１３による内部加熱および冷媒１７によ
る冷却（冷媒の供給１）によって調節する。

ガス温間調節用補助ヒータ１３の加熱電力は。

補助加熱電源１４から供給される。ガス圧力調節室１２
の冷却に用いる冷媒１７は、ベルジャ１にもうけられた
冷媒注入口１８から注入される。

冷媒１７は、使用するエツチングガスの種類によって使
い分けが必要であるが、通常は、版体窒素、圧縮フレオ
ンあるいは液体ヘリウム等を使用する。冷媒１７として
は、クラスタ発生家３内のガス蒸気圧を０．１〜１０．
０Ｔｏｒｒ　　にするようなものが蝦も望ましい。

エツチングの対象となる基板１９は基板取付は台２０上
に載置される。シャッタ２５を開閉制御することによっ
て、エツチング時間を正確に制御することができる。

ガス圧力調節室１２内には、その温度における平衡蒸気
圧のエツチングガスが充満している。そして、このエツ
チングガスは、ガス圧力調節室１２の外部−ずなわち、
ベルジャ１内の圧力に較べて、前記室１２内の圧力が高
く（なるべくは１０倍以上）保持されているため、圧力
差によりガス噴射用ノズルｌＯから勢いよ（、超音速で
噴出される。

この蒸気は一般に、それぞれ独立した原子状または分子
状粒子とは異なり、数百ないし数十個の原子または分子
が集まったいわゆるクラスタ（塊状粒子）となって噴射
される。

々ラスタ生成の機構は、り２スタを構成する；京子ある
いは分子間の分子間力を考、慮して、統計力学的手法を
用いた微視的取り扱いで説明することができる。

定性的にその概略を述べれば、気体をノズルから高真空
領域へ噴出させると、熱運動のランダムなベクトルは一
方向の運動速度ベクトルに変換される。噴出ガスが膨張
する間、まわりの希薄気体分子との衝突が殆どなく、い
わゆる断熱膨張による過冷却状態となり、噴出ガスの分
子間力の作用によって凝縮する。噴出ガス流は等制約に
温度が下り過飽和状態になる。

原子または分子の集団とみなされるり２スタは、いわゆ
るファン・デル・ワールス力（ＶａｎｄｅｒＷａａｌ’
ｓ　　ｆｏｒｃｅ）　で結合しているため、残留ガス等
との衝突で分解しやすい反面、電子衝撃で容易にイオン
化する。

すなわち、その電離電圧は、当該ガスが原子状あるいは
分子状粒子単独で存在する場合に比べて低く、クラスタ
としてのイオン化＠面積は、クラスタの質ｌに比例して
非常に大きい。

クラスタの生成機構については、特公昭５４−９５９２
号公報に説明されており、金属原子あるいは分子からな
るクラスタイオンを用いた４膜付着方法が提案されてい
る。これらの薄膜付着方法ではクラスタを形成する原料
となる物質の融点が比較的高いため、原料の物質を加熱
して蒸気化する方法が用いられている。

本発明におけるクラスタイオ／によるエツチングにおい
ては１通常エツチングに用いられるガスの蒸気圧が常温
近傍の温度においては極めて大きいために、ガスの温度
を下げ、ガスの蒸気圧を１０−２〜Ｉ　Ｔｏｒｒ　　の
範囲に制御する方法を用いている。

このような蒸気圧のガスが、ノズルから噴出してクラス
タを形成する機構は、上記の特公昭５４−９５９２　　
号公報の薄膜付着方法において説明されている、金属原
子あるいは分子からなるクラスタの生成原理と同じであ
る。

ココで１本発明で実施した。シリコンウェハ上に形成さ
れたポリシリコン膜を、ＣＦ、　　クラスタイオンによ
ってエツチングした例について述べる。

クラスタ発生室３は、内部に空洞があるアルミニウム類
の容器とし、この容器に、冷媒注入口１８から冷媒１７
として液体窒素を導入した。

ガス圧力４１４節室】２は熱伝導性の良いアルミニウム
などで製作し、前記空洞内に、熱的に良好を接触を保っ
て嵌合させた。ガス圧力調節室１２の内壁には、ガス温
ｔｉＦＪ４節用袖助ヒータ　１３として、外側がステン
レスでできたンースヒータをらせん状にまいた。

Ｃｌ１ｉ”４　　のエツチングガスの場合、−１８４”
Ｃにおいて固化するが、この温度において蒸気圧が約Ｉ
Ｔｏｒｒとなり、敵体窒累の温度（Ｓ点）−１９６”Ｃ
よりも幾分温ＩＷを高くした方がエツチング速ＩＷが速
くなった。また、ガス噴射用小孔（ノズル）１０の径は
０．５　ｖｒｚ程１ｔが適当であった。

イオン化するための入射電子ビームとしては、電子放射
用フィラメント〃口熱を源１１の加熱電力を２０〜３０
Ｗとした時、′に子放射ビーム電流１００　ｍＡ〜３０
０ｍＡ　　が得られた。また、イオン引出しのためイオ
ン引出し′ＩＬ極５には、電源６によりｌ０ＫＶを印加
した。

基板１９にはシリコンウェハ１石英基板、ガラス基板な
どを用いたが、何れの場合も基板上のポリシリコン膜を
良好にエツチングすることができた。

シリコンウェハ上のポリシリコンｆｉ８ｃＦ４クラスタ
イオンでエツチングした場合、幕板取付は台２０とアー
スの間に接続した電流計２１で測定されるイオン′を流
は、１０〜３０μＡであるか、ポリシリコン膜のエツチ
ング速度は０２〜０３μＷ′ｍｉｎ　　で・　放電領域
で作業を行なう（１）の方式と比較して遜色がなかった
。

また、従来のドライエツチング法において、石英基板上
のポリシリコン摸をエツチングする際ニ見られたような
基板の周辺部に生じるポリシリコン嘆エツチングの不均
一（低速化）が生ぜず、絶縁性基板上のポリシリコンに
対しても良好なエツチングができた。

なお、クラスタ発生室３を液体窒素で冷却せず、たんに
ＣＦ　　ガスをイオン化してエツチングした場合、エツ
チング速度はＣＦ４　クラスタイオンによるエツチング
速度の１／１０以下であった。

上記のように、エツチングガスをクラスタにするために
、エツチングガスの蒸気圧を１０　〜ＩＴｏｒｒとなる
ようにガス圧力調節室１２の温度をｐ４整し、この蒸気
をガス噴射用小孔１０から高真空領域中に噴射させる。

上記のようにＣＦ４では一１８４℃に冷却して。

ガス圧力調整室１２の圧力を約Ｉ　Ｔｏｒｒにしたが、
Ｃｌ−１Ｆ、　　クラスクイオンでシリコンウェハ上の
シリコン酸化嗅をエツチングした実施列では、ガス圧力
ＦＡ整室１２の温ｆＫを−１５０”Ｃに保持することに
よって圧力を約１　’ｐｏｒｒ　としエツチングできた
。

本発明者らの実験によれば、本発明では、ガス圧力調節
室１２内のガス蒸気圧を１０−２〜１０Ｔｏｒｒの範囲
に保持することが重要であり、蒸気圧が前記範囲以下に
なるとエツチング速度が遅すぎるようになり、また逆に
蒸気圧が前記範囲以上になるとクラスタの発生が減小し
て、やはりエツチング速度が遅くなる。

なお、以上においては、クラスタ発生室３が真空領域内
に配置されるものとしたが、このことは必ずしも必要で
はなく、ガス噴射用小孔１０からのガスが真空領域に向
って噴射されれば十分である。

（発明の効果） 以上述べたように本発明は、ガス圧力調節室が１かれた
高真空領域と、冷却により所定の蒸気圧に保持されたガ
スとの間に、圧力差を保持せしめると共に、ガス圧力調
節室内に導入したエツチングガスの熱平衡状態を保持せ
しめた状態で、ガス　　４圧力調節室の小孔から高真空
領域に噴射させ、断熱膨張による過冷却状態によってク
ラスタを発生させ、これに電子を衝突させてクラスタの
１個の分子のみをイオン化し、これを基板上の薄膜に照
射してエツチングするものであり、エツチングした面は
均質でダメージがなく、エツチングを低温でできるので
工業的に極めて優れたものとなる。

その理由は、クラスタは電荷量／質量の比が小さいので
、基板の中央部に照射されるものと、その周辺部に照射
されるものとを比較した場合、電荷量の差が小さく、し
たがってエツチング速度が基板全面にわたって均一にな
るものと考えられろ。

また、同じ加速電圧を印加した場合の加速度も小さいの
で、基板に衝突する時の運動エネルギが小さく、基板内
に入り込んで結晶構造にダメージを与える確率が低くな
ると考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す概略構成図である。 １・・・ベルジャ、　　２・・・排気孔、　　３クラス
タ発生室、　４・・・イオン化機構部、　　５・・・イ
オン引き出し電極、　　６・・・イオン加速用電源、　
　７・・・電子リペラ、　　８・・電子放射用リング状
フィラメント、　　９・・・グリッド電極、　　１０・
・・ガス噴射用小孔（ノズル）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）高真空領域に向けてガスを噴射し、クラスタを形
   成するためのガス噴射用小孔を有するガス圧力調節室と
   、 前記ガス圧力調節室に所定のガスを導入する手段と、 前記ガス圧力調節室内のガスを冷却し、その蒸気圧を予
   定値に保持する冷却手段と、 高真空領域内に配置され、前記ガス噴射用小孔に向けて
   、加速電子を放出し、前記クラスタをイオン化するイオ
   ン化手段と、 前記イオン化されたクラスタを前記高真空領域内の被処
   理基板の表面に指向させるイオン引出電極とを具備した
   ことを特徴とする基板の表面処理装置。
2. （２）ガス圧力調節室内のガスの蒸気圧は０．１〜１０
   ．０Ｔｏｒｒであることを特徴とする前記特許請求の範
   囲第１項記載の基板の表面処理装置。
3. （３）ガス圧力調節室内のガスは、液化温度以下に冷却
   されることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の基板の表面処理装置。
4. （４）ガス圧力調節室は高真空領域内に配置されること
   を特徴とする前記特許請求の範囲第１項ないし第３項の
   いずれかに記載の基板の表面処理装置。
5. （５）高真空領域の圧力と、ガス圧力調節室内のガス圧
   との間に、１０倍以上の圧力差をもたせたことを特徴と
   する前記特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   に記載の基板の表面処理装置。