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プラズマ処理方法、高速プラズマエッチング装置 - 東京エレクトロン株式会社
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発明の名称 プラズマ処理方法、高速プラズマエッチング装置
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2007−5592(P2007−5592A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−184543(P2005−184543)
出願日 平成17年6月24日(2005.6.24)
代理人 【識別番号】100099944
【弁理士】
【氏名又は名称】高山 宏志
発明者 丸山 幸児 / 平山 祐介
要約 課題
大開口サイズ、大開口率にパターン形成された被処理体に対してエッチングなどのプラズマ処理を行なう場合でも、エッチングむらを生じさせず、均一な処理が可能なプラズマ処理方法を提供する。

解決手段
被処理体を載置する載置台と、該載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、を備えたプラズマ処理装置の処理容器内で被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、表面に開口部による開口パターンが形成され、その開口幅が500μm以上である被処理体を載置台に載置する工程と、載置台と天井部との間隔を25mm超65mm未満に設定する工程と、処理空間にプラズマを生成し、被処理体をプラズマ処理する工程と、を含むプラズマ処理方法。
特許請求の範囲
【請求項1】
被処理体を載置する載置台と、該載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、を備えたプラズマ処理装置の処理容器内で被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
表面に開口部による開口パターンが形成され、その開口幅が500μm以上である被処理体を前記載置台に載置する工程と、
前記載置台と前記天井部との間隔を25mm超65mm未満に設定する工程と、
前記処理空間にプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理する工程と、
を含むことを特徴とする、プラズマ処理方法。
【請求項2】
前記被処理体の開口部の開口率が2%以上であることを特徴とする、請求項1に記載のプラズマ処理方法。
【請求項3】
被処理体を載置する載置台と、該載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、を備えたプラズマ処理装置の処理容器内で被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
表面に開口部による開口パターンが形成され、その開口幅が500μm以上である被処理体を前記載置台に載置する工程と、
前記載置台と前記天井部との間隔を40mm以上55mm以下に設定する工程と、
前記処理空間にプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理する工程と、
を含むことを特徴とする、プラズマ処理方法。
【請求項4】
被処理体を載置するとともにプラズマ生成用の高周波電力が印加される電極と、該電極との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、を備えたプラズマ処理装置の処理容器内で被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
表面に開口部による開口パターンが形成され、その開口幅が1500μm以上である被処理体を前記電極に載置する工程と、
前記載置台と前記天井部との間隔を40mm以上55mm以下に設定する工程と、
前記処理空間にプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理する工程と、
を含むことを特徴とする、プラズマ処理方法。
【請求項5】
前記被処理体の開口部の開口率が25%以上であることを特徴とする、請求項3または請求項4に記載のプラズマ処理方法。
【請求項6】
前記プラズマ処理は、シリコンのエッチング処理であることを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項7】
5μm/min以上のエッチングレートでエッチング処理を行なうことを特徴とする、請求項6に記載のプラズマ処理方法。
【請求項8】
エッチングガスとして、SF/Oを用いることを特徴とする、請求項7に記載のプラズマ処理方法。
【請求項9】
6.7Pa〜133.3Paの圧力で処理を行なうことを特徴とする、請求項8に記載のプラズマ処理方法。
【請求項10】
平行平板方式のプラズマ処理装置を用いることを特徴とする、請求項6から請求項9のいずれか1項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項11】
コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のプラズマ処理方法が行なわれるように前記処理容器を制御することを特徴とする、制御プログラム。
【請求項12】
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のプラズマ処理方法が行なわれるように前記処理容器を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。
【請求項13】
被処理体を載置する載置台と、
前記載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、
前記載置台を収容する真空保持可能な処理容器と、
被処理体に対し、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載されたプラズマ処理方法が行なわれるように前記処理容器を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置。
【請求項14】
開口部の開口幅が500μm以上である開口パターンを有する被処理体を載置する載置台と、
前記載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、
前記載置台を収容し、内部でプラズマエッチング処理を行なう真空保持可能な処理容器と、
を備え、
前記載置台と前記天井部との間隔を25mm超65mm未満に設定し、被処理体に対し、5μm/min以上のエッチングレートでプラズマエッチング処理を行なうものである、高速プラズマエッチング装置。
【請求項15】
開口部の開口幅が1500μm以上である開口パターンを有する被処理体を載置する載置台と、
前記載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、
前記載置台を収容し、内部でプラズマエッチング処理を行なう真空保持可能な処理容器と、
を備え、
前記載置台と前記天井部との間隔を40mm以上55mm以下に設定し、被処理体に対し、5μm/min以上のエッチングレートでプラズマエッチング処理を行なうものである、高速プラズマエッチング装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、プラズマ処理方法および高速プラズマエッチング装置に関し、詳細には、反応性ガスのプラズマを利用してエッチング処理等を行なうプラズマ処理方法および高速プラズマエッチング装置に関する。
【背景技術】
【0002】
MEMS(Micro Electro Mechanical System)の製造過程では、Si基板などの被処理体にホールや溝を形成する目的でプラズマエッチング処理が行なわれる。MEMSの加工では、プラズマエッチングによって形成されるホールの径や溝の幅などのサイズが100μmを超えることから、それに対応してエッチングのためのマスクパターンの開口部のサイズも大きくなり、被処理体の面積に占める開口部の面積比率(開口率)も大きくなる。
【0003】
このような大開口サイズ、大開口率にパターン形成された被処理体に対してプラズマエッチングを行なうためには、半導体デバイスの製造過程で行なわれるエッチングと比較して、高いエッチングレートでエッチングを行なうことが必要である。シリコンの高速エッチングに関しては、5〜200μm程度の開口幅にパターン形成された被処理体に対して、プラズマ生成領域と被処理体との距離を好ましくは20μm以下に調節し、処理容器内のガス圧力を13〜1333Paとしてエッチングを行なう高速Siエッチング方法が提案されている(例えば、特許文献1)。
【特許文献1】特開2002−93776号公報(例えば、請求項1、請求項3など)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一般に、スループット向上の観点から、エッチングレートは高い方が好ましく、特にMEMSの加工では、大開口サイズ、大開口率にパターン形成された被処理体に対してエッチングを行なうことから、前記特許文献1のように高速エッチングが必要となる。
【0005】
しかし、開口サイズがさらに大きくなり、500μm以上の大開口サイズにパターン形成された被処理体に高速エッチングを行なうと、被処理体の面内におけるエッチングむらが発生する。具体的には、被処理体の面内の中央部と周縁部との比較で、周縁部のエッチングレートが速くなり、周縁部のエッチング量が多くなることから、ホールや溝の深さが面内で不均一になってしまうという問題があった。
【0006】
従って、本発明の目的は、大開口サイズ、大開口率にパターン形成された被処理体に対してエッチングなどのプラズマ処理を行なう場合でも、処理むらを生じさせず、均一な処理が可能なプラズマ処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、本発明の第1の観点は、被処理体を載置する載置台と、該載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、を備えたプラズマ処理装置の処理容器内で被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
表面に開口部による開口パターンが形成され、その開口幅が500μm以上である被処理体を前記載置台に載置する工程と、
前記載置台と前記天井部との間隔を25mm超65mm未満に設定する工程と、
前記処理空間にプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理する工程と、
を含むことを特徴とする、プラズマ処理方法を提供する。
【0008】
上記第1の観点において、前記被処理体の開口部の開口率が2%以上であることが好ましい。
【0009】
また、本発明の第2の観点は、被処理体を載置する載置台と、該載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、を備えたプラズマ処理装置の処理容器内で被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
表面に開口部による開口パターンが形成され、その開口幅が500μm以上である被処理体を前記載置台に載置する工程と、
前記載置台と前記天井部との間隔を40mm以上55mm以下に設定する工程と、
前記処理空間にプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理する工程と、
を含むことを特徴とする、プラズマ処理方法を提供する。
【0010】
また、本発明の第3の観点は、被処理体を載置するとともにプラズマ生成用の高周波電力が印加される電極と、該電極との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、を備えたプラズマ処理装置の処理容器内で被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
表面に開口部による開口パターンが形成され、その開口幅が1500μm以上である被処理体を前記電極に載置する工程と、
前記載置台と前記天井部との間隔を40mm以上55mm以下に設定する工程と、
前記処理空間にプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理する工程と、
を含むことを特徴とする、プラズマ処理方法を提供する。
【0011】
上記第2の観点または第3の観点において、前記被処理体の開口部の開口率が25%以上であることが好ましい。
【0012】
また、上記第1〜第3のいずれかの観点において、前記プラズマ処理は、シリコンのエッチング処理であることが好ましい。この場合、5μm/min以上のエッチングレートでエッチング処理を行なうことが好ましい。また、エッチングガスとして、SF/Oを用いることが好ましい。さらに、6.7Pa〜133.3Paの圧力で処理を行なうことが好ましい。またさらに、平行平板方式のプラズマ処理装置を用いることが好ましい。
【0013】
本発明の第4の観点は、コンピュータ上で動作し、実行時に、上記第1〜第3のいずれかの観点のプラズマ処理方法が行なわれるように前記処理容器を制御することを特徴とする、制御プログラムを提供する。
【0014】
本発明の第5の観点は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、上記第1〜第3のいずれかの観点のプラズマ処理方法が行なわれるように前記処理容器を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体を提供する。
【0015】
本発明の第5の観点は、被処理体を載置する載置台と、
前記載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、
前記載置台を収容する真空保持可能な処理容器と、
被処理体に対し、上記第1〜第3のいずれかの観点のプラズマ処理方法が行なわれるように前記処理容器を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置を提供する。
【0016】
本発明の第6の観点は、開口部の開口幅が500μm以上である開口パターンを有する被処理体を載置する載置台と、
前記載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、
前記載置台を収容し、内部でプラズマエッチング処理を行なう真空保持可能な処理容器と、
を備え、
前記載置台と前記天井部との間隔を25mm超65mm未満に設定し、被処理体に対し、5μm/min以上のエッチングレートでプラズマエッチング処理を行なうものである、高速プラズマエッチング装置を提供する。
【0017】
本発明の第7の観点は、開口部の開口幅が1500μm以上である開口パターンを有する被処理体を載置する載置台と、
前記載置台との間にプラズマ処理空間を形成する天井部と、
前記載置台を収容し、内部でプラズマエッチング処理を行なう真空保持可能な処理容器と、
を備え、
前記載置台と前記天井部との間隔を40mm以上55mm以下に設定し、被処理体に対し、5μm/min以上のエッチングレートでプラズマエッチング処理を行なうものである、高速プラズマエッチング装置を提供する。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、プラズマ処理装置の処理容器内でプラズマ処理空間を規定する載置台と天井部との間隔(ギャップ)を25mm超65mm未満に設定することにより、大開口サイズ、大開口率にパターン形成された被処理体に対してエッチングなどのプラズマ処理を行なう場合でも、処理むらを生じさせずに、均一な処理が可能になる。
【0019】
特に、プラズマ処理がエッチングである場合には、ギャップを25mm超65mm未満に設定することにより、エッチング形状を制御しつつ処理むらがほとんど無い均一なエッチングが可能であり、しかもギャップが短い場合に比べてエッチングレートも向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明方法を実施する目的で好適に使用可能なRIE方式のプラズマエッチング装置100の概要を示す断面図である。このエッチング装置100は、気密に構成され、小径の上部1aと大径の下部1bとからなる段つき円筒状をなし、壁部が例えばアルミニウム製のチャンバー(処理容器)1を有している。
【0021】
このチャンバー1内には、被処理体として、例えばMEMS加工用のシリコン基板(以下、単に「基板」と記す)Sを水平に支持する載置台としての支持テーブル2が設けられている。支持テーブル2は例えばアルミニウムで構成されており、絶縁板3を介して導体の支持台4に支持されている。また、支持テーブル2の上方の外周には、例えばSiあるいは石英などで形成されたフォーカスリング5が設けられている。上記支持テーブル2と支持台4は、ボールねじ7を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台4の下方の駆動部分は、ステンレス鋼(SUS)製のベローズ8で覆われている。ベローズ8の外側にはベローズカバー9が設けられている。また、上記フォーカスリング5の外側にはバッフル板10が設けられている。なお、チャンバー1は接地されている。
【0022】
チャンバー1の下部1bの側壁には、排気ポート11が形成されており、この排気ポート11には排気系12が接続されている。そして排気系12の真空ポンプを作動させることによりチャンバー1内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバー1の下部1bの側壁上側には、基板Sの搬入出口を開閉するゲートバルブ13が設けられている。
【0023】
支持テーブル2には、整合器14を介してプラズマ形成用の第1の高周波電源15が接続されており、この第1の高周波電源15から所定の周波数の高周波電力が支持テーブル2に供給されるようになっている。一方、支持テーブル2に対向してその上方にはシャワーヘッド20が互いに平行に設けられており、このシャワーヘッド20は接地されている。したがって、支持テーブル2およびシャワーヘッド20は一対の電極として機能する。
【0024】
第1の高周波電源15の給電線には、整合器25を介して第2の高周波電源26が接続されている。第2の高周波電源26は、第1の高周波電源15の周波数よりも低い周波数の高周波電力を供給し、プラズマ形成用の高周波電力に重畳されるようになっている。
【0025】
支持テーブル2の表面上には基板Sを静電吸着して保持するための静電チャック6が設けられている。この静電チャック6は絶縁体6bの間に電極6aが介在されて構成されており、電極6aには直流電源16が接続されている。そして電極6aに電源16から電圧が印加されることにより、静電力例えばクーロン力によって基板Sが吸着される。
【0026】
支持テーブル2の内部には、温度調節媒体室17が設けられており、この温度調節媒体室17には、温度調節媒体が導入管17aを介して導入され排出管17bから排出されて循環し、その熱(温熱、冷熱)が支持テーブル2を介して基板Sに対して伝熱され、これにより基板Sの処理面が所望の温度に制御される。
【0027】
また、チャンバー1が排気系12により排気されて真空に保持されていても、温度調節媒体室17に循環される温度調節媒体により基板Sを有効に温度調節可能なように、伝熱媒体としてのガスが、ガス導入機構18によりそのガス供給ライン19を介して静電チャック6の表面と基板Sの裏面との間に所定圧力(バックプレッシャー)で導入される。このように伝熱媒体としてのガスを導入することにより、温度調節媒体の熱が基板Sに有効に伝達され、基板Sの温度調節効率を高くすることができる。
【0028】
上記シャワーヘッド20は、チャンバー1の天壁部分に支持テーブル2に対向するように設けられている。このシャワーヘッド20は、その下面に多数のガス吐出孔22が設けられており、かつその上部にガス導入部20aを有している。そして、その内部には空間21が形成されている。ガス導入部20aにはガス供給配管23aが接続されており、このガス供給配管23aの他端には、エッチングガスなどの処理ガスを供給する処理ガス供給系23が接続されている。
【0029】
このような処理ガスが、処理ガス供給系23からガス供給配管23a、ガス導入部20aを介してシャワーヘッド20の空間21に至り、ガス吐出孔22から吐出される。
【0030】
したがって、支持テーブル2とシャワーヘッド20との間の空間には、図2に模式的に示すように、第1の高周波電源15により鉛直方向の電界ELが形成される。これによって高エネルギー状態のエッチングガスのプラズマが形成され、基板Sがエッチングされる。
また、図2の符号Gは、支持テーブル2の上面から天井部であるシャワーヘッド20の下面までの間隔、つまり上下電極間のギャップを意味する。
【0031】
また、プラズマエッチング装置100の各構成部は、CPUを備えたプロセスコントローラ50に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ50には、工程管理者がプラズマエッチング装置100を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマエッチング装置100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインタフェース51が接続されている。
【0032】
また、プロセスコントローラ50には、プラズマエッチング装置100で実行される各種処理をプロセスコントローラ50の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部52が接続されている。
【0033】
そして、必要に応じて、ユーザーインタフェース51からの指示等にて任意のレシピを記憶部52から呼び出してプロセスコントローラ50に実行させることで、プロセスコントローラ50の制御下で、プラズマエッチング装置100での所望の処理が行われる。また、前記レシピは、例えば、CD−ROM、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどの読み出し可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させて利用したりすることも可能である。
【0034】
次に、このように構成されるプラズマエッチング装置100を用いた本発明方法の一実施形態に係るプラズマエッチング方法について、適宜図3を参照しながら説明する。まず、図1のゲートバルブ13を開にして基板Sをチャンバー1内に搬入し、支持テーブル2に載置した後、支持テーブル2を図示の位置まで上昇させ、上下電極間のギャップG(図2参照)を設定する。ギャップGは、25mm超65mm未満が好ましく、40mm以上55mm以下が好ましい。ギャップGが25mm以下であると、基板Sの上部空間において形成されるプラズマが十分な密度に達せず、基板Sへのエッチャントの供給が不足するため、プラズマ処理空間で横方向からのエッチャント補給が上からのエッチャント供給を上回り、その結果、基板Sにおける周縁部のエッチングレートが中央部のエッチングレートを上回り、基板Sの面内におけるエッチング深さの不均一、つまりエッチングむらを生じるからである。また、ギャップGが65mm以上では、エッチング形状の制御が困難になることがある。
【0035】
そして、排気系12の真空ポンプにより排気ポート11を介してチャンバー1内を排気する。基板Sは、図3(a)に示すように、被エッチング層としてのSi層101上に、所定の開口パターンが形成されたマスク層102が積層された構造をしている。マスク層102としては、特に制限はなく、例えばフォトレジストや、酸化膜などによるハードマスクを用いることができる。
【0036】
基板Sのマスク層102の中央部には、開口110aが形成されており、基板Sのマスク層102の周縁部には、開口110bが形成されている。ここで、開口110a,110bは、Si層101に形成される大型の凹部(ホールや溝など)に対応して大開口サイズに形成されており、そのサイズ(径や幅)Lとしては、例えば500μm以上であり、特に1500μm以上である場合に本発明の効果が顕著に顕れる。開口110a,110bのサイズLの上限は特に制限されないが、好適には例えば2000μm程度である。また、開口110a,110bの開口率、すなわち、基板Sの面積に対する開口110a,110bの面積比率(開口率)としては、例えば2%以上であり、特に5%以上で本発明の効果が顕著に顕れる。その上限は特に制限されないが、好適には例えば25%程度である。
【0037】
そして処理ガス供給系23からエッチングガスが所定の流量でチャンバー1内に導入され、例えばチャンバー1内の圧力を6.7〜133.3Pa(50mTorr〜1Torr)、基板S(支持テーブル2)の温度を−50℃〜30℃とし、その状態で第1の高周波電源15および第2の高周波電源26から、それぞれ支持テーブル2に所定の高周波電力を供給する。この際に、直流電源16から静電チャック6の電極6aに所定の電圧が印加されることにより、基板Sは、例えばクーロン力により静電チャック6に吸着保持される。
【0038】
また、ガス導入機構18によりガス供給ライン19を介して基板Sに熱(温熱または冷熱)を有効に供給するための伝熱媒体のガスが静電チャック6の表面と基板Sの裏面との間に所定圧力(バックプレッシャー)で導入される。このガスとしては、例えばHeなどを用いることができる。
【0039】
エッチング処理の際に、プラズマ生成用の第1の高周波電源15は、所望のプラズマを形成するためにその周波数および出力が適宜設定される。基板Sの直上のプラズマ密度を高くする観点からは、周波数を例えば40MHz以上、例えば100MHzとすることが好ましい。
【0040】
また、第2の高周波電源26は、プラズマのイオンエネルギーをコントロールするための高周波電力を供給するためのものであり、その周波数は、第1の高周波電源15の周波数よりも小さくすることが好ましく、例えば13.56MHzとすることが好ましい。
【0041】
エッチングレートを高くする観点から、第1の高周波電源15からの高周波電力としては、基板Sの直径が150mmの場合、例えば200〜1500Wとすることが好ましく、また、第2の高周波電源26からの高周波電力としては、0〜500W程度とすることが好ましい。
【0042】
このようにして、上部電極であるシャワーヘッド20と下部電極である支持テーブル2との間に高周波電界が形成される。この高周波電界によりエッチングガスのプラズマが生成され、このプラズマにより基板SのSi層101がエッチングされ、図3(b)に示すように、ホールや溝などの凹部111a,111bが形成される。
【0043】
この場合に、チャンバー1内のガス圧力を前記範囲に設定することにより、イオンおよび電子の荷電粒子のみならず、十分な量のラジカルを生成させることができ、このラジカルが有効に作用してエッチングレートを向上させることができる。その後、マスク層102をアッシング処理して除去すると、図3(c)に示すように、マスク層102の開口110a,110bのサイズLにほぼ対応したサイズで凹部111a,111bが形成された基板Sが得られる。
【0044】
本実施形態ではRIEタイプのプラズマ生成機構を用い、基板Sを載置する下部電極である支持テーブル2に高周波電力を印加するので、プラズマを被処理体の直上で形成することができる。これらにより、一層高速でエッチングすることができる。
【0045】
エッチング工程で使用するエッチングガスとしては、基板Sを高速でエッチングする観点から反応性の高いフッ素化合物を含むガスを用いることが好ましい。このような、フッ素化合物を含むガスとしては、例えばSFとOとの混合ガスを用いることが好ましい。また、エッチングガスとして、前記SFとOとの混合ガスに換えて、選択比の向上や、エッチング形状の制御性を高める観点から、例えばSiF、NF、HBr、Cl等のハロゲン系ガスを用いてもよい。さらに、エッチングガスとともに、例えばAr、Heなどの希ガスを用いることもできる。
【0046】
以上のようにして、プラズマエッチング装置100を用いて基板Sに対し所望のエッチング処理が実施される。本発明のエッチング方法では、例えば5μm/min以上、好ましくは10μm/min以上の高いエッチングレートでの高速エッチングが可能である。そして、ギャップGを前記範囲に調節することにより、このような高速でエッチングを行なっても基板Sの面内での均一性を確保することができる。すなわち、基板Sの中央部に形成された凹部111aと、基板Sの周縁部に形成された凹部111bの深さDが略均一になる。
【0047】
ここで、図4を参照しながら、本発明の作用機構を説明する。大開口サイズで大開口率のマスクパターンを用いる高速エッチングにおいて、エッチング量の面内不均一が発生する機構としては、エッチャントのローディング効果が関与していると考えられる。図4(a)〜(c)は、エッチング時の基板Sの断面を模式的に示している。まず、図4(a)では、パターニングされたマスク層102を有するSi層101上に、プラズマ中でFラジカルなどのエッチャント200が生成した状態を示している。生成したエッチャント200は、マスク層102の開口120a,120b内に露出したSiと反応する。なお、開口120aはSi層101の中央付近の開口を示し、開口120bはシリコン基板の周縁部の開口を示している。
【0048】
エッチングは、エッチャント200がSiと反応して消費されることにより進行するため、エッチング途中では、図4(b)に示すように開口120a,120bの上方のエッチャント200が不足し、エッチャント欠乏領域が生じる。
【0049】
このように発生したエッチャント欠乏領域には、エッチャント200の不足を補うように、周囲のエッチャント濃度が高い部分(Siが露出していないため、エッチャント200の消費が進まない部分)から、エッチャント200が横方向に移動して補給される。補給されるエッチャント200の移動は、図4(c)に黒矢印で示している。
【0050】
このように、図4(a)〜(c)に示す現象が極く短い周期で繰り返されることによって、エッチングが進行する。ところが、図4(c)に示す横方向のエッチャント補給が、上からのエッチャント供給(同図において白矢印で示す)に比べて多くなると、Si層101の中央の開口120aに比べて周縁部の開口120b付近のエッチャント200が多くなり、周縁部のエッチングレートが高くなると考えられる。この現象は、エッチャント200の消費と、反応によるバイプロダクトの生成により、エッチャント200の上下方向の供給と横方向の補給のバランスが崩れることにより生じる。開口パターンの開口幅が数μm〜数十μm程度では、プラズマの均一性が支配的であるため、エッチャント欠乏領域自体が生じにくい。しかし、500μm以上の大開口幅、2%以上の大開口率にパターン形成された被処理体に対して高エッチングレートでエッチングを行なう場合には、エッチャント欠乏領域が生じやすく、前記エッチャント200の供給と補給のバランスが崩れ易いと考えられる。
【0051】
そして、図4(c)に示すように、基板SのSi層101の周縁部に形成されたホールや溝などの凹部121bの深さが、基板SのSi層101の中央部に形成された凹部121aの深さに比べて深くなり、基板Sの面内におけるエッチングむらとなる。
【0052】
前記エッチャント200の供給と補給のバランスには、ギャップGが関係しており、ギャップGが短いと、プラズマ生成空間も狭くなるため、エッチャント200の供給と補給のバランスが崩れやすくなるものと考えられる。そこで、本発明では、ギャップGを従来より広く設定してエッチングを行なうことにより、エッチングむらの問題を解決した。すなわち、ギャップGを25mm超、好ましくは45mm以上に調節することにより、エッチャント供給律速による基板S面内のエッチングむらを解消できた。ギャップGを広く設定することにより、プラズマ生成空間が拡大し、エッチャント200の供給と補給のバランスが良好に保たれる。また、プラズマ生成空間を拡大することで、バイプロダクトの排気効率も高まるので、エッチングレートも向上させることができる。
【0053】
次に、本発明の効果を確認した試験結果について述べる。
図1と同様の構成のプラズマエッチング装置100により、図3に示したものと同様の断面構造を有するMEMS加工用の基板Sに対して、エッチングガスとしてSF/Oを用い、以下に示す条件でSi層101のプラズマエッチングを実施した。ここでは、サンプルとして、直径500μmの円形状ホールパターンが形成された開口率2%のサンプルAと、同開口率7%のサンプルBと、一辺の長さが1500μmの四角状ホールパターンが形成された開口率25%のサンプルCについてエッチングを実施した。
【0054】
チャンバー1内の圧力=26.7Pa(200mTorr);
第1の高周波電源15の高周波電力(100MHz)=1000W;
第2の高周波電源26の高周波電力(13.56MHz)=100W;
SF/O流量比=300/75mL/min(sccm);
上下部電極間ギャップ=25mm、40mm、55mmまたは65mm;
支持テーブル2の温度=20℃;
処理時間=900秒
【0055】
各ギャップGにおけるプラズマエッチング処理におけるエッチングレートと、基板Sのセンター部(中央部)とエッジ部(周縁部)におけるエッチング量の均一性を調べた。その結果を表1に示した。なお、均一性は、下式により求めた。均一性は5%以内であれば実用上充分である。
【0056】
【数1】


【0057】
【表1】


【0058】
表1から、ギャップGを25mmに設定してエッチングを行なった場合には、サンプルA、サンプルCともにギャップGを40mm以上に設定した場合に比べて、均一性が悪く、特に大開口サイズ、大開口率のサンプルCではその傾向が顕著であった。しかし、ギャップGを40mm〜55mmに設定することによりギャップGを25mmに設定した場合に比べ、均一性が大幅に改善された。また、エッチングレートも向上しており、これはSi反応生成物の除去が効率的に行なわれることで、エッチャントとSiとの反応が促進されたためであると考えられる。
【0059】
また、ギャップGを65mmに設定してエッチングを行なった場合には、均一性はわずかに改善されたものの、大開口サイズ、大開口率のサンプルCでエッチング形状が逆テーパー状になった(結果は図示を省略する)。このことから、ギャップGを広げすぎると、エッチング形状の制御が困難になると考えられた。
以上のことから、ギャップGは25mm超65mm未満とすることがよく、40mm〜55mmが好ましいことが示された。
【0060】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態ではプラズマエッチング装置100として平行平板型の装置を用いたが、これに限るものではなく、本発明の範囲のギャップGでプラズマ形成することができれば、他の形式のプラズマエッチング装置を用いることもできる。
【0061】
また、上記実施形態では、被処理体としてMEMS加工用の基板Sに対してエッチングを行なう場合を例に挙げたが、大開口径、大開口率を有するものであればこれに限定されるものではなく、例えば半導体ウエハなどのシリコン基板へのエッチングにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0062】
【図1】本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施するためのRIEプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図。
【図2】チャンバー内に形成される電界と、ギャップを説明するための模式図。
【図3】プラズマエッチング処理の手順を示す基板の要部断面図。
【図4】エッチャント供給律速によるエッチングむら発生機構の説明に供する図面。
【符号の説明】
【0063】
1;チャンバー(処理容器)
2;支持テーブル(電極)
12;排気系
15;第1の高周波電源
17;温度調節媒体室
18;ガス導入機構
20;シャワーヘッド(電極)
23;処理ガス供給系
26;第2の高周波電源
100;プラズマエッチング装置
101;Si層
102;マスク層
S;基板




 

 


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