説明

エッチング装置及びエッチング方法

【課題】プラズマ発生室に誘導結合方式で放電プラズマを発生させるようにしたエッチング装置1において、主としてラジカルでエッチングが進行する場合にエッチング速度が向上するようにする。
【解決手段】誘導放電式でプラズマが発生されるプラズマ発生室3a及びこのプラズマ発生室に連通し、エッチング処理すべき被処理物Sが配置される待機室3bとを有する真空チャンバ3と、プラズマ発生室に所定のエッチングガスを導入するガス導入手段9とを備える。そして、エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが行われる場合、プラズマP発生領域に被処理物Sが存するように、待機室に配置された被処理物の位置を変更する位置変更手段10、12を設ける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エッチング装置及びエッチング方法に関し、より詳しくは、超小型電機システム(MEMS)の製造などにおいてシリコン基板に深孔(深溝)を形成することに用いられるドライエッチング装置及びドライエッチング方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種のエッチング装置としては、真空排気手段を設けた真空チャンバを有し、この真空チャンバを、誘導放電式でのプラズマの生成を可能とする上部のプラズマ発生室と下部の基板処理室(待機室)とから構成し、プラズマ発生室に所定のエッチングガスを導入するガス導入手段を設けたものが知られている(例えば、特許文献1)。そして、第1高周波電源を介して主放電用の電力を供給して誘導放電式でプラズマ発生室内に放電プラズマを生成すると共に、第2高周波電源を介して主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させるためにプラズマ発生室と対向させて設けた基板配置部たる基板電極に基板バイアス用の電力を供給している。このようなエッチング装置では、プラズマ発生室内に導入されたエッチングガスのうちプラズマで分解されたイオンやラジカルが被処理物に照射され、当該被処理物との反応によりガス化することで被処理物がエッチングされていく。
【0003】
ここで、エッチングガスとしてフッ素含有ガスを用いて上記装置によりエッチングする場合、エッチングすべき被処理物がSiO等であると、SiOがフッ素ラジカルと反応し難いため、主としてプラズマで分解されたフッ素イオンによりエッチングが進行する(異方性エッチング)。
【0004】
それに対して、被処理物がSi等である場合、常温ではSiとフッ素ラジカルとの反応が自発的となって反応し易いため、主としてフッ素ラジカルによりエッチングが進行する(等方性エッチング)。このため、フッ素含有ガスを用い、シリコン基板に横方向の広がりを抑制して垂直な側壁をもって深さ方向に深く延びる孔(溝)を形成するには、等方性エッチングを抑制することが必要となる。
【0005】
そこで、上記特許文献1記載のエッチング装置において、プラズマ発生室の天板内側に、基板ステージに対向させてフッ素樹脂材や珪素材製のターゲットを配置し、当該ターゲットに高周波電力を間欠的に印加して当該ターゲットをスパッタリングすることで、被処理物のエッチング工程と、エッチングにより形成された孔等へエッチング保護膜を形成するスパッタリング工程とを順次繰り返すことが特許文献2で知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2005−117010号公報
【特許文献2】国際公開 WO2006/003962号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記特許文献2記載のものでは、超小型電機システム(MEMS)等の製造の際に、フッ素含有のガスを用いて、広いパターン幅でかつ高い異方性で深くエッチングすることが可能となる。然し、エッチング保護膜を形成する工程が付加されるため、高い生産性を達成するには、エッチング保護膜の形成速度やエッチング速度をさらに高めることが望まれる。
【0008】
そこで、本発明は、以上の点に鑑み、エッチング速度及びエッチング保護膜の形成速度をさらに速めることができ、特に、シリコン基板に対して垂直な側壁をもって深さ方向に延びる孔を形成することに適したエッチング装置及びエッチング方法を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、請求項1記載のエッチング装置は、誘導放電式でプラズマが発生されるプラズマ発生室及びこのプラズマ発生室に連通し、エッチング処理すべき被処理物が配置される待機室とを有する真空チャンバと、プラズマ発生室に所定のエッチングガスを導入するガス導入手段とを備えたエッチング装置において、前記エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが行われる場合に、前記プラズマが発生した領域に被処理物が存するように、前記待機室に配置された当該被処理物の位置を変更する位置変更手段を設けたことを特徴とする。
【0010】
本発明によれば、例えばエッチングガスとして、SFなどを含むフッ素含有ガスを用い、シリコン基板をエッチングする場合、主としてフッ素ラジカルで当該エッチングが進行する。このとき、位置変更手段を作動させてフッ素ラジカルの密度の高くなっているプラズマ発生領域にシリコン基板を位置させているため、エッチング速度を向上させることができる。
【0011】
本発明においては、前記位置変更手段は被処理物が配置される基板ステージであり、この基板ステージを、プラズマ発生室と待機室との間で往復動する駆動手段を備えたものとすればよい。ここで、この種のエッチング装置においては、例えば公知の搬送ロボットによる基板ステージへの被処理物の受け渡しのために、当該基板ステージを短いストロークで往復動自在に形成している場合が多い。このようなエッチング装置においは、基板ステージの移動ストロークを長くするだけで、被処理物を移動させる別個の装置を必要とせず、主としてラジカルで被処理物のエッチングが行われる場合に被処理物の位置を変更する構成が簡単に実現でき、また、低コストが図れてよい。
【0012】
また、前記基板ステージは、高周波電源に接続され、浮遊電極となって負のバイアス電位となる基板電極を備えることが好ましい。
【0013】
さらに、本発明においては、前記基板ステージの往復動方向の延長上で当該基板ステージに対向させて前記プラズマ発生室に設けたターゲットと、このターゲットに高周波電力を投入する他の高周波電源とをさらに備え、スパッタリングによりエッチング保護膜を形成する際に当該基板ステージを移動させ、前記プラズマが発生した領域に被処理物が存する構成を採用すれば、ターゲット及び被処理物相互の間の距離が短くでき、スパッタレート、つまり、エッチング保護膜形成の速度も高めることができる。
【0014】
上記課題を解決するために、請求項5記載のエッチング方法は、筒状のプラズマ発生室内でその外側に設けた磁場コイルで形成した磁気中性線に沿って、高周波電源を介してアンテナコイルに交番電場を加え、当該プラズマ発生室内に放電プラズマを発生させると共に所定のエッチングガスを導入し、基板ステージに配置された被処理物をエッチングするエッチング方法において、前記エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが進行する場合、前記プラズマの発生領域に被処理物が存し、主としてイオンでエッチング進行する場合、プラズマ発生領域から離間するように当該被処理物の位置を切り換えることを特徴とする。
【0015】
本発明によれば、例えばエッチングガスとしてフッ素含有ガスとハロゲン化水素含有との混合ガスを用い、表面にレジストマスクが形成された石英基板をエッチングする場合、主としてイオンでエッチングが進行するが、被処理物たる石英基板をプラズマが発生した領域から離間しているため、プラズマ発生領域での過剰解離により発生したフッ素ラジカルが途中で水素と結合し排気除去されるため、レジストマスクに対する選択比を改善することができる。
【0016】
尚、主としてラジカルでエッチングが進行する場合、前記真空チャンバ内の作動圧力を12Pa以下に設定することが好ましい。作動圧力が12Paを超えると、異方性エッチングに寄与するイオンが不足し、異方性が崩れてエッチング形状が悪いという不具合が生じる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明のエッチング装置の構成を概略的に示す模式側面図。
【図2】実施例1において、シリコン基板に孔をエッチングしたときの断面を示すSEM写真。
【図3】実施例2において、真空チャンバ内の圧力を変化させてシリコン基板に孔をエッチングしたときのエッチングレートを示すグラフ。
【図4】実施例3において、ターゲット及び被処理物相互間の距離を変化させてエッチング保護膜を形成したときのスパッタレート及び膜厚の面内均一性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0018】
図1を参照して、1は、本発明の誘電結合型のエッチング装置である。このエッチング装置1は、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能なものであり、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどの真空排気手段2を備えた真空チャンバ3を有する。真空チャンバ3は、誘電体筒状壁により画成されたその上部のプラズマ発生室3aと下部の待機室3bとから構成され、当該待機室3bを介して真空チャンバ3内が真空引きされる。
【0019】
プラズマ発生室3aの側壁(誘電体側壁)31の外側には、三つの磁場コイル4a乃至4cが設けられ、当該磁場コイル4a乃至4cによって、プラズマ発生部3b内に環状磁気中性線(図示せず)が形成される。また、磁場コイル4a乃至4cと側壁31外側との間には、プラズマ発生用の高周波アンテナコイル5が配置され、公知の構造を有する第1の高周波電源6aに接続されている。そして、三つの磁場コイル4a乃至4cによって形成された磁気中性線に沿って交番電場を加えることで、プラズマ発生室3a内に放電プラズマPを発生(生成)させることができる。この場合、中間の磁場コイル4bは、側壁31の長手方向の略中央に位置し、プラズマ発生室3a内に放電プラズマPを発生させたとき、中間の磁場コイル4bを通る空間でプラズマP密度が最も高くなり、また、当該プラズマPは待機室3bの上部空間まで若干拡がるようになる。
【0020】
プラズマ発生室3aを区画する天板7は、誘電体側壁31の上部フランジに密封固定され、電位的に浮遊状態となって対向電極を構成する。この場合、天板7内側には、第2の高周波電源6bに接続されたスパッタリング用のターゲット8が装着でき、被処理物Sを異方性エッチングする途中で、高周波電力をターゲット8に投入して当該ターゲット8をスパッタリングすることで被処理物Sにエッチング保護膜が形成できる。ターゲット8としては、被処理物Sに形成しようするエッチング保護膜の組成に応じて適宜選択され、公知の方法で形成される。
【0021】
また、天板7には、エッチングガス及びスパッタガスを切り換えて又は同時に一定の流量でプラズマ発生室3a内に導入する公知の構造のガス導入手段9が接続されている。エッチングガスとしては、SF等のフッ素含有ガス、HBr等のハロゲン含有ガス(ハロゲン化水素)やこれらの混合ガスなど、被処理物Sに応じて適宜選択される。他方、スパッタガスとしては、Ar等の希ガスが用いられる。
【0022】
待機室3b内には 磁気中性線の作る面と対向させて、シリコン基板などの被処理物Sが搭載される基板ステージ10が設けられている。基板ステージ10は、円柱状の基台10aと、この基台10a上面に図示しない絶縁体を介して設けられた平面視円形の基板電極10bとから構成され、基板電極10bは、コンデンサー11を介して第3の高周波電源6cに接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位を印加できるようになっている。
【0023】
基台10aの下面には、送りねじ(図示せず)と駆動モータ12とから構成される駆動手段が連結され、駆動モータ12を回転駆動して送りねじを回転させると、基板ステージ10が、プラズマ発生領域たるプラズマ発生室3a(例えば図1において仮想線で示す位置)と、待機室3b(例えば図1において実線で示す位置)との間で昇降自在となり(往復動する)、位置変更手段を構成する。尚、基板ステージ10は、公知の構造を有する搬送ロボットにより基板ステージ10に基板を受け渡しする場合に、基板ステージ10を短いストロークで昇降させることもできる。
【0024】
次に、本実施の形態のエッチング装置1を用いた被処理物のエッチングを、シリコン基板Sに深孔を形成する場合を例に説明する。被処理物たるシリコン基板S表面には、エッチング時にマスクとして役割を果たすSiO膜が所定のパターン(所定の開口率)で形成されている。シリコン基板Sは、SiO膜に代えて公知のフォトリソグラフィー工程によりレジストマスクをその表面に形成したものであってもよい。そして、このようにマスクを有するシリコン基板Sを待機室3bに搬入し、基板電極10bに位置決めして搭載する。
【0025】
次いで、真空排気手段2を作動させて真空チャンバ3を真空引きする。このとき、シリコン基板Sのエッチングに先立って、基板ステージ10を上昇させてシリコン基板Sがプラズマ発生領域、好ましくはプラズマ発生室3a内に存するようにその位置を変更する。そして、真空チャンバ内の圧力が所定値(例えば、10−5Pa)に達すると、エッチングガスとしてSFなどのフッ素含有ガスを用い、ガス導入手段9を介してプラズマ発生室3a内に一定の流量で導入する。この場合、エッチングストップが生じないように酸素を添加するようにしてもよい。また、エッチング時の圧力は、5〜12Paの範囲と設定する。5Paより低い圧力では、ラジカル不足でエッチングレートが低すぎる一方で、12Paより高い圧力では、異方性エッチングに寄与するイオンが不足し、異方性が崩れてエッチング形状が悪いという不具合が生じる。
【0026】
エッチングガスの導入と共に、第1の高周波電源6aを介して主放電用の高周波電力を高周波アンテナコイル5に供給すると、三つの磁場コイル4a乃至4cによって形成された磁気中性線に沿って交番電場が加えられてプラズマ発生室3a内に高密度の放電プラズマが発生する。それに併せて、第3の高周波電源6cを介して主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させる基板バイアス用の電力を基板電極10bに供給する。
【0027】
これにより、プラズマで分解されたフッ素イオンやフッ素ラジカルが、シリコン基板Sに照射され、当該シリコンとの反応によりガス化してエッチングされていく(エッチング工程)。ここで、常温でシリコンとフッ素ラジカルとの反応が自発的となって反応し易いため、主としてラジカルによりエッチングが進行するが(等方性エッチング)、本実施の形態においては、フッ素ラジカルの密度の高くなっているプラズマ発生領域にシリコン基板Sを位置させているため、エッチング速度が向上する。尚、プラズマ発生室3a内でプラズマ密度が高い領域までシリコン基板Sを近づけていくと、局所的にエッチングされる領域が発生し、面内分布が悪化する等の問題が生じるため、これらを考慮してシリコン基板Sのプラズマ発生領域内での位置が適宜調節される。
【0028】
ところで、フッ素含有ガスを用いて、シリコン基板Sに横方向の広がりを抑制して垂直な側壁をもって深さ方向に深く延びる孔を形成する場合には、等方性エッチングを抑制することが必要となる。このような場合には、天板7内側にフッ素樹脂材や珪素材製のターゲット8を装着しておき、一定の周期で、エッチングガスの導入を停止してシリコン基板Sのエッチングを停止すると共に、Ar等のスパッタガスをガス導入手段9を介してプラズマ発生室3aに導入し、ターゲット8に第2の高周波電源6bを介して所定の電力を投入し、ターゲット8をスパッタリングすることで、エッチングされた孔などにエッチング保護膜を形成する(スパッタリング工程)。スパッタリング工程中、基板ステージ10の位置をそのままで保持し、シリコン基板Sがプラズマ発生領域に位置するようにすれば、エッチング保護膜の形成速度も向上させることができる。
【0029】
そして、エッチング保護膜の形成を停止し、ガス導入手段9によりスパッタガスとエッチングガスとを切換え、上記のように第1及び第3の高周波電源6a、6cを再度作動させて電力投入を再開すると、エッチング保護膜と共にシリコン基板Sが深さ方向に深くエッチングされていく。
【0030】
尚、本実施の形態においては、エッチングガスとしてフッ素含有ガスを用い、シリコン基板をエッチングする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルで被処理物のエッチングが進行する場合には、基板ステージを上昇させて被処理物Sがプラズマ発生領域、好ましくはプラズマ発生室3a内に存するようにその位置が変更される。
【0031】
他方で、エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてプラズマで分解されたイオン種によりエッチングが進行する場合には、基板ステージ10上の被処理物Sがプラズマ発生領域から離間するように、基板ステージ10が待機室3b内に位置させればよい。例えば、エッチングガスとしてフッ素含有ガスとハロゲン化水素含有との混合ガスを用い、表面にレジストマスクが形成された石英基板をエッチングする場合、主としてイオンでエッチングが進行するが、被処理物たる石英基板をプラズマが発生した領域から離間しているため、プラズマ発生領域での過剰解離により発生したフッ素ラジカルが途中で水素と結合し排気除去されるため、レジストマスクに対する選択比を改善することができる。
【0032】
さらに、例えばシリコン基板Sに横方向の広がりを抑制して垂直な側壁をもって深さ方向に深く延びる孔を形成するために、フッ素含有ガスやハロゲン含有ガスなどエッチングガスを切換えて被処理物Sをエッチングする場合には、主としてラジカルでエッチングが進行するか、または、主としてイオンでエッチング進行するかにより、被処理物の位置を切り換えてエッチングすればよく、このようなエッチング処理を行う場合に本実施の形態のエッチング装置は最適である。
【実施例1】
【0033】
実施例1では、被処理物としてシリコン基板Sを用い、このシリコン基板S表面に熱酸化膜(SiO)を所定のパターン(開口率1%)かつ1000nmの膜厚で形成した。次に、図1に示すエッチング装置1を用いてエッチングを行った。この場合、誘電体側壁31の内径を300mmで、その高さ寸法を150mmに設定した。
【0034】
また、エッチングガスとしてSFを用い、このエッチングガスのガス流量を30sccm、プラズマ発生用の高周波アンテナコイル5に接続した第1の高周波電源の出力(周波数13.56MHz)を2000kW、基板電極10bに接続した第3の高周波電源の出力(周波数12.56MHz)を500kW、基板温度を20℃、真空チャンバ3の圧力を7Pa、エッチング時間30minに設定し、シリコン基板Sをエッチングした。
【0035】
図2は、基板ステージ10に搭載されたシリコン基板Sから中間磁場コイル4bを通る空間まで距離Z1を40mm(シリコン基板Sがプラズマ発生室3cの下部に達する位置)と、シリコン基板Sから上気空間までの距離Z2を140mm(シリコン基板Sがプラズマ発生領域から離間した位置)とにそれぞれ設定し、上記条件でエッチングしたときのシリコン基板の断面を示すSEM写真である。これによれば、シリコン基板がプラズマ発生領域に存するようにすれば、エッチングレートが10.48μm/mmであり、シリコン基板Sがプラズマ発生領域から離間した位置にある場合のエッチングレート(6.973μm/mm)と比較して向上していることが判る。
【実施例2】
【0036】
実施例2では、上記実施例1と同じシリコン基板Sを用い、図1に示すエッチング装置1を用いてエッチングを行った。エッチング条件は、実施例1と同一とした。真空排気手段2に通じる排気管にコンダクタンスバルブを設け、エッチング時の真空チャンバ3内の圧力を0〜12Paの間で変化させた。
【0037】
図3は、上記距離Z1、Z2を40mm、140mmにそれぞれ設定し、圧力を変化させたときのエッチングレートを示すグラフである。これによれば、6Pa以下の圧力では、シリコン基板がプラズマ発生領域に存するようにすれば、エッチングレートが向上していることが判る。他方で、12Pa以上の圧力になると、真空チャンバ3内でのシリコン基板の位置に関係なく、エッチング速度が約30μm/mmと高くなったが、異方性エッチングに寄与するイオンが不足し、異方性が崩れてエッチング形状が悪いという不具合が生じる。
【実施例3】
【0038】
実施例3では、実施例1と同じシリコン基板を用い、図1に示すエッチング装置1の天板に取付けたターゲットをスパッタリングしてエッチング保護膜を形成した。ターゲットとして、ポリテトラフルオロエチレンを用い、また、スパッタガスとしてアルゴンを用いた。そして、アルゴンの流量を30sccm、第2の高周波電源の出力(周波数12.5MHz)、スパッタリング時間5secに設定してスパッタリングを行った。その際、基板ステージ10に搭載されたシリコン基板Sから中間磁場コイル4bを通る空間まで距離(ターゲット及び被処理物相互間の距離)を20mmから140mmまでの間で変化させることとした。
【0039】
図4は、上記距離を変化させ、上記条件でスパッタリングによりエッチング保護膜を形成したときのスパッタレートと膜厚さを示すグラフである。これによれば、上記距離が40mmの場合、スパッタレートは、上記距離を140mmに設定した場合と比較して約倍以上となったことが判る。
【符号の説明】
【0040】
1…エッチング装置、3…真空チャンバ、3a…プラズマ発生室、3b…待機室、4a乃至4c…磁場コイル、5…アンテナコイル、6a乃至6c…高周波電源、7…天板、8…ターゲット、9…ガス導入手段、10…基板ステージ(位置変更手段)、12…駆動モータ(位置変更手段)。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘導放電式でプラズマが発生されるプラズマ発生室及びこのプラズマ発生室に連通し、エッチング処理すべき被処理物が配置される待機室とを有する真空チャンバと、プラズマ発生室に所定のエッチングガスを導入するガス導入手段とを備えたエッチング装置において、
前記エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが行われる場合に、前記プラズマが発生した領域に被処理物が存するように、前記待機室に配置された当該被処理物の位置を変更する位置変更手段を設けたことを特徴とするエッチング装置。
【請求項2】
前記位置変更手段は被処理物が配置される基板ステージであり、この基板ステージを、プラズマ発生室と待機室との間で往復動する駆動手段を備えたことを特徴とする請求項1記載のエッチング装置。
【請求項3】
前記基板ステージは、高周波電源に接続され、浮遊電極となって負のバイアス電位となる基板電極を備えることを特徴とする請求項2記載のエッチング装置。
【請求項4】
前記基板ステージの往復動方向の延長上で当該基板ステージに対向させて前記プラズマ発生室に設けたターゲットと、このターゲットに高周波電力を投入する他の高周波電源とをさらに備え、スパッタリングによりエッチング保護膜を形成する際に当該基板ステージを移動させ、前記プラズマが発生した領域に被処理物が存するようにしたことを特徴とする請求項2または請求項3記載のエッチング装置。
【請求項5】
筒状のプラズマ発生室内でその外側に設けた磁場コイルで形成した磁気中性線に沿って、高周波電源を介してアンテナコイルに交番電場を加え、当該プラズマ発生室内に放電プラズマを発生させると共に所定のエッチングガスを導入し、基板ステージに配置された被処理物をエッチングするエッチング方法において、
前記エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが進行する場合、前記プラズマの発生領域に被処理物が存し、主としてイオンでエッチング進行する場合、プラズマ発生領域から離間するように当該被処理物の位置を切り換えることを特徴とするエッチング方法。
【請求項6】
主としてラジカルでエッチングが進行する場合、前記真空チャンバ内の作動圧力を6Pa以下に設定することを特徴とする請求項5記載のエッチング方法。



【図1】
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【図3】
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【図4】
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【図2】
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【公開番号】特開2013−4745(P2013−4745A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−134467(P2011−134467)
【出願日】平成23年6月16日(2011.6.16)
【出願人】(000231464)株式会社アルバック (1,740)
【Fターム(参考)】