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発明の名称 エッチング方法及び装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−252095
公開日 平成6年(1994)9月9日
出願番号 特願平5−33030
出願日 平成5年(1993)2月23日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】高田 幸彦
発明者 田村 直行
要約 目的
現在大気中へ放出されている多量の未反応ガスを分離し、循環して再使用あるいは回収することによって、装置の運転コストを低減し、除害設備への投資も軽減する。また、エッチングガスの排出のためのポンプへの負担を軽減し、省エネルギー化する。

構成
処理室11から排出されるガスや反応生成物あるいは未反応のまま排出されるガスをフィルターやサイクロン等の分離手段50に導き、エッチングガスと反応生成物とに分離し、さらに、反応生成物をかい離させて、被エッチング材の固形物と元のエッチングガスに別ける。分離されたエッチングガスは、循環・蓄積手段60、流路制御部71を経て処理室11に循環させて再利用する。
特許請求の範囲
【請求項1】処理室にエッチングガスを導入し、該エッチングガスをプラズマ化し、このプラズマによって前記処理室内に置かれた基板のエッチング処理を行なうエッチング方法において、エッチング処理に伴って前記処理室から排出される排ガスを、前記エッチングガスと固形物とに分離し、分離された前記エッチングガスを前記処理室に循環させて、次のエッチング処理に使用することを特徴とするエッチング方法。
【請求項2】処理室にエッチングガスを導入し、該エッチングガスをプラズマ化し、このプラズマによって前記処理室内に置かれた基板のエッチング処理を行なうエッチング方法において、エッチング処理に伴って前記処理室から排出される排ガスを、前記エッチングガスと固形物とに分離し、前記固形物に結合エネルギ以上のエネルギを与えて、被エッチング材の固形物と前記エッチングガスにかい離させ、前記分離及びかい離によって得られた前記エッチングガスを、前記処理室に循環させて次のエッチング処理に使用することを特徴とするエッチング方法。
【請求項3】処理室に供給源からエッチングガスを導入し、該エッチングガスをプラズマ化し、このプラズマによって前記処理室内に置かれた基板のエッチング処理を行なうエッチング方法において、エッチング処理に伴って前記処理室から排出される排ガスを、前記エッチングガスと固形物とに分離し、分離された前記エッチングガスを前記処理室に還流させるとともに、前記処理室内へ供給すべきエッチングガス流量と前記還流エッチングガスの流量を比較し、不足分を前記エッチングガス供給源から補うように制御することを特徴とするエッチング方法。
【請求項4】請求項1,2または3記載のエッチング方法において、前記エッチングガスを前記処理室から排出するためのポンプを、エッチング装置の起動時は真空ポンプとして使用し、起動後は、前記エッチングガスの循環用ポンプとして使用することを特徴とするエッチング方法。
【請求項5】処理室と、プラズマ発生手段と、エッチング処理手段と、エッチング用のガス供給手段と、排気手段とを備え、前記処理室にエッチング用ガスを導入し、該エッチングガスをプラズマ化し、このプラズマによって前記処理室内に置かれた基板のエッチング処理を行なうエッチング装置において、前記排気手段で排気されるガス及び反応生成物の中から前記エッチングガスを分離する分離手段と、該分離手段で分離したエッチングガスを蓄積する蓄積手段と、該蓄積したエッチングガスを前記処理手段に循環させる循環手段とを具備したことを特徴とするエッチング装置。
【請求項6】前記分離手段が、前記排気手段から排気される前記エッチングガスと反応生成物の分離を行うフィルターであることを特徴とする請求項5記載のエッチング装置。
【請求項7】前記分離手段が、前記排気手段から排気される前記エッチングガスと反応生成物の分離を行うサイクロンであることを特徴とする請求項5記載のエッチング装置。
【請求項8】前記分離手段が、前記反応生成物にその結合エネルギー以上のエネルギーを与えて前記エッチングガスと被エッチング材に分離する装置であることを特徴とする請求項5記載のエッチング装置。
【請求項9】処理室と、プラズマ発生手段と、エッチング処理手段と、エッチングガス供給手段と、排気手段とを備え、前記処理室にエッチングガスを導入し、該エッチングガスをプラズマ化し、このプラズマによって前記処理室内に置かれた基板のエッチング処理を行なうエッチング装置において、前記排気手段で排気されるガス及び反応生成物の中から前記エッチングガスを分離する分離手段と、該分離手段で分離したエッチングガスを蓄積する蓄積手段と、該蓄積したガスを前記処理手段に循環させる循環手段と、ガス流量制御手段とを具備し、前記ガス流量制御手段は、エッチングガス供給手段と処理室をつなぐ第一の通路に設けられた弁とガス流量計、前記蓄積手段と前記第一の通路をつなぐ第二の通路に設けられた弁及びガス流量計、前記処理室の圧力を測定する圧力測定部及び前記ガス流量及び圧力に基づいて前記弁を制御する制御装置を備えていることを特徴とするエッチング装置。
【請求項10】前記制御装置は、前記処理室内へ供給されるエッチングガス流量と前記蓄積手段から還流されるエッチングガスの流量を比較し、前記エッチングガス供給手段から不足分を補うように前記第一の通路に設けられた弁を制御するガス供給制御部を備えていることを特徴とする請求項9記載のエッチング装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造に用いられるエッチング方法及び装置に係る。
【0002】
【従来の技術】エッチングに使用するガスは、CCl4,Cl2,CF4(−O2)等活性で有害なものが多く、エッチング装置から排出されたガスは、各種の除害設備で回収し、専門業者に委託して処分されている。また、半導体製造装置の排出ガスから有害ガスを自動的に除去するために特開平2−9438号公報に示されたような精製装置等の排気ガス処理装置が提案されている。一方、特開昭60−137465号公報や特開昭61−9513号公報に記載されているように、塗膜形成装置や真空脱ガス設備からの排ガスから有用成分を分離回収して再利用することが知られている。
【0003】しかしながら、プラズマエッチングの分野においては、排出ガスを再利用することを開示した例はない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ウエハをエッチングする場合、エッチングガスが実際に有効に使用されている量は、多く見積っても20%程度であり、現在のエッチング装置でのエッチングは、有害な産業廃棄物を多量に排出しており、これの除害設備に多額の投資が使われている。また、エッチング装置で、当該ガスを大気中へ放出するための真空ポンプは大きな電力消費源となっている。
【0005】本発明の目的は、現在大気中へ放出されている多量の未反応ガスを分離し、循環して再使用あるいは回収することによって、装置の運転コストを低減し、除害設備への投資も軽減することにある。
【0006】本発明の他の目的は、エッチングガスの排出のためのポンプへの負担を軽減し、省エネルギー化することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】エッチングの原理から明らかなように、エッチングによってエッチングガスは消費されず、被エッチング材と結合して形を変えるだけのものである。ここで消費とは、CVDのように、ガス成分の一部が基板上に堆積するような状態を指す。本発明によれば、被エッチング材と結合して排出されるガスや反応生成物あるいは未反応のまま排出されるガスを、エッチングガスと固形物に別け、エッチングガスは循環させて使用する。
【0008】すなわち、フィルターやサイクロン等の一次分離手段によって、活用されなかったエッチングガスを、エッチングにより生じた反応生成物と分離する。さらに、熱あるいはプラズマ等を利用した二次分離手段によって、反応生成物すなわち被エッチング材と結合して排出される固形物をかい離させて、被エッチング材の固形物と元のエッチングガスに分ける。反応生成物は、結合エネルギ以上のエネルギを与えてやることによりかい離すなわち再分離が可能である。二次分離されたエッチングガスは、未反応ガスと同様に循環させて使用する。
【0009】
【作用】一旦処理室へ導入された、エッチングガスが、一部エッチングに利用されて、処理室外に排出されるが、排出のためのポンプは圧縮比を有するために、必ず処理室側より、排出側の方が圧力が高くなる。従って、再びこのエッチングガスを処理室に導入することは、非常に容易である。近年のポンプは完全オイルフリーのものが完成し、ポンプを通過することによって、エッチングガスが汚染されることがない。
【0010】もし仮に、エッチングによって生成された反応生成物を100%かい離して回収できるなら、エッチングガスは、初期に定量投入してやるだけで、永久に供給することなく、エッチングが繰返されることになる。また、大気にガスを排出する必要がないので、ポンプは、軽負荷でガスを循環させることができる。但し実際の運転では、反応生成物を100%かい離することはできないし、被処理物の交換作業に伴うロスもあるので、エッチングガスはそのロス分だけを補充することは必要である。ポンプについても、当該ロス分だけは装置外に排出する必要があるので、それに要するパワーは必要である。しかし、現在の全量大気へ排出するためのパワーに比較すると非常に軽微で済む。
【0011】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例になるエッチング装置のシステム構成例を示す図である。エッチング処理手段10は真空処理室11、基板載置台である試料台12、及びバイアス用高周波電源13等で構成されている。20はプラズマ生成手段であり、マイクロ波を処理室へ伝達する手段であるマイクロ波発振器21、導波管22、及び処理室11内へ磁場を形成する手段であるマグネットコイル23から成る。14はエッチングガス供給路であり、エッチングガス供給手段30から所定圧のガスが処理室11に導入される。このガスをマイクロ波による電界とマグネットコイル23による磁場の相互作用を利用して励起し、プラズマを生成する。このプラズマによって、基板すなわち被エッチング材である試料15はエッチング処理される。
【0012】エッチング処理を終った排出ガスは、排気孔16から排気手段40の可変コンダクタンスバルブ41、排気ポンプ42を経て分離手段50に送られる。ここで、エッチングに有効なガスが分離される。循環・蓄積手段60、ガス流量制御手段70の流路制御部71を経て再び処理手段10に供給される。供給ガスの量は制御装置72によって制御される。73は真空圧計である。分離手段50で分離された残りのガス及び固形物は、排出手段80から装置外へ運ばれ処理される。
【0013】図2に、ガス流量制御手段の詳細を示す。流路制御部71は、エッチングガス供給手段30と処理手段10をつなぐ通路710に設けられた弁711と、流量計712,713を有し、さらに、循環・蓄積手段60と通路710をつなぐ通路714に設けられた弁715及び流量計716を有する。一方、制御装置72は、エッチング処理手段の全体的な制御を行う制御部721を備えている。また、各通路のガス流量の測定及び処理室の圧力を測定するガス流量・圧力測定部722と、制御部及び測定部の出力に基づいてガス供給量を制御するガス供給制御部723を備えている。排気手段制御部725は、制御部721の出力に基づいて排気手段40を駆動するための出力を生成する。ガス供給部723及び排気手段制御部725の出力は、バルブ駆動部724、ポンプ駆動部726に加えられ、制御信号(1)〜(5)が各々該当部所に与えられる。
【0014】次に、図2のガス流量制御手段70の動作について、図3のタイムチャートを参照しながら説明する。エッチング装置の起動時には、排気ポンプ42を駆動して排気を行う。このとき、制御装置72において、真空計73で処理室11内の圧力を見ながら処理室内を所定圧力に制御する。起動後は、前記排気ポンプ42をエッチングガスの循環用ポンプとして使用する。エッチングは、図3の(A)に示すタイミングで時間TE(約3分)ずつ行われる。まず、処理室11には、ガス供給手段30から通路710を経由してエッチングガスが供給される。制御装置72は図3の(B)に示すタイミングで弁711を開き、処理用のガスを処理室11に供給する。このとき流量計712で流量を測定する。一方、図3の(C)に示すタイミングで、排気ポンプ42を駆動して排気を行う。このとき、真空計73で処理室11内の圧力を見ながら可変コンダクタンスバルブ41を制御して処理室内を所定圧力に制御する。
【0015】次に、マイクロ波発振器21より導波管22を介して、処理室11内にマイクロ波を導入し、処理室内の処理ガスをプラズマ化し、試料台12上に配置した試料15をプラズマ処理する。
【0016】プラズマ処理後の排ガスは、可変コンダクタンスバルブ41、排気ポンプ42を介して分離手段50に導かれ、図3(D)に示すタイミングで、未反応ガスと反応ガスとが分離される。
【0017】分離手段で分離された未反応ガスは、循環・蓄積手段60の回収タンクに回収され(図3、E)、さらに流量計716、開閉バルブ715を含む通路714を介して時間TDだけ処理ガス供給ライン710に導かれる(図3、F)。
【0018】制御装置72は、蓄積装置60の回収タンクから供給される未反応ガス流量Q2と処理室内へ供給される処理ガス流量Q1を比較しながら、流量制御部71の弁711を制御して処理ガス源30から不足分Q3を補う。一例として、処理ガス流量Q1は100cc/min程度であり、Q2もこれに近い量が得られるので、不足分Q3はかなり少なくてよい。
【0019】次に、分離手段50として、最も手軽に実現できる方法は、図4に示すような分離器51,52、チェック弁53、ポンプ54の組合せになる分離器を用いた、反応を伴わない機械的な分離(一次分離)である。この方法により、エッチングによって生成された質量の大きい物質を、分離器内のフィルターやサイクロンで分離し、エッチングに寄与しなかったガスだけを取出すことができる。あるいは、分離器51,52を吸着手段で構成してもよい。この場合、分離器により反応ガスを吸着させ、未反応ガスを取り出す。分離器は交互に使用し、片方で吸着しているとき他方で再生を行う。
【0020】更にエッチングガスの利用効率を高める方法としては、図5に示すようなコイル56に高周波電源57を接続し、電極58に直流電源59を接続した二次分離器による反応(分解)を伴う分離(二次分離)がある。この二次分離は、反応生成物質にその結合エネルギ以上のエネルギを与えてかい離させるものである。この二次分離により、プラズマ処理後の排気ガスを再びプラズマ化し、プラズマ化した分子に電圧をかけて偏向させ、未反応ガス種を回収する。このようにして、反応生成物質に、熱やプラズマ等でエネルギを与えてかい離させて、元のガスに戻すことができる。
【0021】二次分離で残った固体の反応生成物は、固形物として取り出す。例えば、8インチのウエハの表面の30%を1μmの深さにエッチングする場合を考えると、固形物の体積は9.42mm3となり、容量1リットルのタンクに約10万枚分蓄積することができる。
【0022】本発明の方法によるガスの反応状況を図6に示す。この例は、基板にAlやPoly−Si、エッチングガスとしてCl2を用いた場合を示している。処理室のエッチングガスの圧力を1mmTorrとし、マイクロ波を導入してプラズマを生成する。プラズマにより、Cl2ガスの一部は被エッチング材Alと結合して反応生成物ClxAlyとなる。このCl2ガスと反応生成物は一次分離手段で分離され、Cl2ガスは、還流される。一方、反応生成物ClxAlyは、二次分離によって固形物AlとガスCl2に分離され、Cl2ガスは還流される。
【0023】なお、エッチングガスとしては、上記例に限らず、F系ガスやCl系ガス、F−H系ガスを対象とすることができるし、エッチングガスとして混合ガスであってもよい。混合ガスの場合には、分離手段50とガス流量制御手段との間に、さらに混合ガスをそれぞれの単一ガスに分離する手段を設け、それぞれのガス毎に流量を測定して補充ガス流量を設定し、所定の混合ガス比にしてエッチング処理手段10に供給すればよい。また、被エッチング材も、Si,Poly−Si,SiO2等巾広く適用できる。
【0024】なお、エッチング装置複数台に対して、分離、循環手段をまとめて1台設けることも可能である。また、プラズマ生成手段としては、実施例で述べたマイクロ波を用いる方法に限らず、高周波電源等の他の手段によるものであってもさしつかえない。
【0025】また、CVD装置のように処理ガスを反応させて成膜するような場合においても、未反応ガスが排気されるような場合には本発明を適用することによって、同様に未反応ガスを回収・再利用できる。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、次のような効果がある。
(1)高価なエッチングガスを有効に使用でき、ランニングコストを低減できる。
【0027】(2)装置から排出するガスが少ないので、除害設備、排ガス設備の負担が小さくなるので、これら付帯設備への投資が軽減できる。
(3)大半のガスをクローズシステムで使用するので、環境への影響がなくなる。
【0028】(4)排気手段は、ガスを循環するだけのパワーを与えれば良いので省エネルギー化できる。




 

 


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