JP3997004B2 - 反応性イオンエッチング方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して、半導体、電子部品、光学部品、その他の基板上の物質をエッチングする反応性イオンエッチング方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術において用いられてきたエッチング装置としては種々の型式のものが知られており、その一つに添付図面の図４で示されるような平行平板型のものである。真空チャンバーＡ内に陽極Ｂと陰極すなわち基板電極Ｃとを対向させて配置し、陽極Ｂから反応ガスが導入され、基板電極Ｃにはマッチング回路Ｄを介して高周波電源Ｅが接続されている。
図５には、酸化膜エッチング用として平行平板型のエッチング装置の別の例を示し、この場合には電極Ｂにもマッチング回路Ｆを介して高周波電源Ｇが接続され、上下の電極に周波数の異なった高周波電力が印加される。
【０００３】
図６には、ECRエッチング装置の従来例を示し、真空チャンバーＡの上部から 誘電体窓Ｂを通してμ波を導入し、875ガウスの磁場のところで電子サイクロト ロン共鳴により高密度プラズマを形成する。
【０００４】
図７に示すものは誘導結合放電エッチング装置であり、真空チャンバーＡ内に放電プラズマを発生するための１重のコイルからなるアンテナＢを真空チャンバーＡの誘電体側壁A1の外側に設け、この高周波アンテナＢにプラズマ発生用高周波電源Ｃから高周波電力を印加し、ハロゲン系のガスを主体とするエッチングガスが流量制御器を通して上部天板A2付近の周囲より導入され、気体を真空チャンバーＡ内に導入し、低圧でプラズマを形成するとともに導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを積極的に利用し、プラズマに接する基板電極Ｄに高周波電源Ｅから高周波電場を印加して基板電極Ｄ上に載置された基板をエッチングするように構成されている。
図８には図７に示すものの変形例であり、真空チャンバーＡの上部壁を平板の誘電体Ｆで構成しその上に渦巻き状のアンテナＧを載置し、誘導結合プラズマを形成するように構成されている。図７の方式をICP(Inductively Coupled Plasma) と呼び、図８の方式をTCP(Transfer Coupled Plasma)と呼んで区別している。
【０００５】
図９は、本願発明者らが、先に特開平７−263192号において提案した磁気中性線放電エッチング装置を示す。この先に提案した装置は、真空チャンバーＡの上部の誘電体円筒壁A1の外側に載置された３つの磁場コイルＢ、Ｃ、Ｄによって真空チャンバーＡ内部に磁気中性線Ｅが形成され、この磁気中性線Ｅに沿って、中間の磁場コイルＣの内側に配置された１重のアンテナＦにアンテナ用高周波電源Ｇから高周波電場を印加することによりリング状のプラズマが形成されるように構成されている。また、エッチングガスは流量制御器を通して上部天板A2付近の周囲より導入され、コングクタンスバルブの開口率によって圧力が制御される。真空チャンバーＡの下部の基板電極Ｈにはバイアス用高周波電源Ｉから高周波電力が印加される。
【０００６】
代表例として、図７で示されているICPエッチングについて説明する。
エッチングガスは上部フランジ付近から導入され、誘電体円筒隔壁A1の外側に設置されたアンテナＢに高周波電源Ｃから高周波電力が印加されてプラズマが形成され、導入ガスが分解される。この時、プラズマ及び導入ガスの分布は基板上で均一であることが要求されるので、一般には、上部フランジに多数の穴のあいたシャワープレートが設けられ、それを通してガスが真空チャンバーＡ内に導入される。ガスの流れが均一で、プラズマ密度及び電位が均一であれば、プラズマ中で発生したエッチャント（ラジカル及びイオン）の密度分布は均一となり、基板は均一にエッチングされる。ところで、ICPエッチングにおけるプラズマ密度 及び電位の均一性はチャンバー構造と圧力に大きく影響を受ける。チャンバー構造が決まってしまうと均一性の得られる圧力条件がほぼ一義的に決まり、条件の選択範囲が極めて狭い。
【０００７】
一方、図９の磁気中性線放電（NLD）エッチング装置では、磁気中性線の位置 を自由に変えられ、しかもICPが発生しない程の低圧ガス領域でプラズマ密度及 び電位を制御することができるので、エッチング均一性の良い条件を容易に設定することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、デバイスが高密度化してきて加工幅及び加工厚みが微細になり、従来のように予め求めておいたエッチング時間でエッチング終点を設定してプロセスを行なう方法では超微細加エプロセスに対処できなくなってきた。エッチングでは反応性の高いラジカル及びイオンを基板に照射して基板物質との反応により基板物質をガス化して蝕刻するが、単に削ればよいわけではなく、形状及び厚みの制御も必要である。例えば、エッチバック工程によりガラス基板上にマイクロマシンを形成する場合、レジストとガラス基板との選択比（エッチング速度比）を二倍以内にしてレジストパターンをガラス基板に転写するが、選択比が低いため終点検出が重要となる。
レジストがなくなった後もエッチングが継続されると、所望の形状及び厚みが得られなくなる。また、レジストが完全にエッチングされる前に終了すると、ガラス表面にレジスト残滓があり、所望の機能が得られない。従ってエッチバック等の工程においては、レジストと基板との選択比が小さいために、終点検出を高精度に行わなければならない。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の問題を解決して、エッチング終点を高精度に検出して加工形状及び厚みを高精度に制御できる反応性イオンエッチング方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、反応性イオンエッチングにおいて、質量分析計を真空チャンバーの側壁に設け、プラズマ中で生成されるイオン種を観測できるようにすると共に、ＣＨＦ_２ ^＋イオン等のピーク強度の時間変化からエッチング終点を検出するように構成される。
【００１１】
すなわち、マイクロマシンの部品や光学部品等をエッチングによりガラス基板上に形成する場合、アルゴン、一化炭素などのガスがエッチング補助ガスとして用いられ、エッチング主ガスとしてはＣＦ₄、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₈等が用いられてい る。エッチング主ガスは、プラズマ密度が高くなったり、プラズマ中の滞在時間が長くなると分解が進み、付着性の物質であるＣＦ、ＣＦ₂、ＣＦ₃等のラジカルを多く生成するようになる。エッチング補助ガスとしてのＡｒはラジカル種の濃度を希釈して適度な濃度にする役割を担う他に、エッチング部の側部及び底部に付着した膜をスパッタしたりイオン衝撃により活性化して基板物質との反応を促進してエッチング形状を整える役割をすると考えられている。
いずれにしても、エッチングの詳細なメカニズムが分かっていないため試行錯誤の実験を強いられるのが現状である。その上、エッチバックによってマイクロマシン等の部品や光学部品を作製する場合、レジストとの選択比を小さくしてエッチングするので終点検出を高精度に行わなければならない。
【００１２】
そのため、プラズマ密度が必要以上に高くない領域でプラズマを形成できる磁気中性線放電装置を用い、質量分析計を基板近傍に設置して、エッチング終点検出の高精度検出ができるかどうかイオン種との相関を調ベた。その結果、COF⁺やＣＦ₂ ⁺及びＣＨＦ₂ ⁺イオンのピーク強度変化を見ることで高精度に終点検出できることが分かった。ＣＨＦ₂イオンに含まれるＨはレジストに含まれる−ＣＨｘ を起源としており、レジストがなくなると、ＣＨＦ₂ ⁺イオンのピークは減少してバックグラウンドレベルになる。ＣＦ₂ ⁺イオンはＣＦ₂ラジカルを起源としてい ると考えられ、レジストが減少するに従いＣＦ₂とレジストとの反応がなくなる ので、結果的にＣＦ₂ ⁺が増加すると考えられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの実施の形態によれば、真空チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設け、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置された基板をエッチングする反応性イオンエッチング方法において、
真空チャンバーの側壁に質量分析計を配置して、プラズマ中で生成されるＣＨＦ_２ ^＋を含む各種イオンをモニターしてＣＨＦ_２ ^＋イオンを含むピーク強度の時間変化から終点を検出し、検出した信号に基づきプラズマ発生装置の電源制御装置を制御して放電を終了させるようにされる。
【００１４】
本発明の別の実施の形態によれば、真空チャンバー内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成するための磁場発生手段と、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するための１重を含む多重の高周波コイルとからなるプラズマ発生装置を設け、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを積極的に利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置された基板をエッチングする反応性イオンエッチング方法において、
真空チャンバーの側壁に質量分析計を配置して、プラズマ中で生成されるＣＨＦ_２ ^＋を含む各種イオンをモニターしてＣＨＦ_２ ^＋イオンを含むピーク強度の時間変化から終点を検出し、検出した信号に基づきプラズマ発生装置の電源制御装置を制御して放電を終了させるようにされる。
【００１５】
本方法は塗布したレジストマスクをエッチバックしてパターン転写する工程に使用され得る。
【００１６】
本発明のさらに別の実施の形態によれば、反応性イオンエッチング装置は、真空チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設け、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置された基板をエッチングするように構成すると共に、真空チャンバーの側壁に、プラズマ中で生成されるＣＨＦ_２ ^＋を含む各種イオンをモニターする質量分析計を設け、またこの質量分析計の出力からＣＨＦ_２ ^＋イオンを含むピーク強度の時間変化から終点を検出する終点検出手段を設け、終点検出手段で検出した信号に基づきプラズマ発生装置の電源制御装置を制御して放電を終了させるように構成される。
好ましくは、真空チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置は、真空チャンバー内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成するための磁場発生手段と、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するための１重を含む多重の高周波コイルとから成り得る。
【００１７】
【実施例】
以下添付図面の図１〜図３を参照して本発明の実施例について説明する。
図１には本発明を実施している反応性イオンエッチング装置の一例を示す。図示エッチング装置において、１は真空チャンバーで、その上部には円筒形の誘電体側壁２を備え、誘電体側壁２の外側には、真空チャンバー１内に磁気中性線を形成するための磁場発生手段を構成している三つの磁場コイル３、４、５が設けられ、真空チャンバー１の上部内に磁気中性線６を形成する。
中間の磁場コイル４と誘電体側壁２の外側との間には１重を含む多重のプラズマ発生用の高周波コイル７が配置され、この高周波コイル７は高周波電源８に接続され、三つの磁場コイル３、４、５によって真空チャンバー１の上部に形成された磁気中性線６に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するようにしている。
真空チャンバー１の上部の天板９は誘電体側壁２の上部フランジに密封固着され、またこの天板９にはエッチングガスを導入するシャワープレート10が設けられ、このシャワープレート10は図示してないエッチング補助ガス源に接続されている。
【００１８】
真空チャンバー１内にはまた図示したように基板電極11が配置され、この基板電極11はマッチングコンデンサー12を介してバイアス高周波電源13に接続されている。基板電極12の近傍において真空チャンバー１の側壁には、エッチング中に生成されたイオン種を観測するための質量分析器14が取付けられ、この質量分析器14の出力はコンピューター15に接続されており、コンピューター15は、データ解析により、ＣＨＦ₂ ⁺イオン等のピーク強度の時間変化を算出する。コンピュータ14で算出されたデータは図示してない高周波電源制御装置に入力され、高周波コイル７の高周波電源８を制御して、コンピューター15によるエッチング終点の検出後に放電終了となるように構成されている。
なお、図１において16は図示してない排気系に接続される排気口である。
【００１９】
この様に構成した図示装置の動作について説明する。
図１の装置を用い、プラズマ発生用高周波電源８の電力を1.0KW、基板バイア ス高周波電源13の電力を500W、真空チャンバー１の圧力を２mTorr、ＣＦ₄の流量を5OsccmとしたときのＣＨＦ₂ ⁺及びＣＦ₂ ⁺イオンのエッチング時間による変化を図２及び図３に示す。
この例では、エッチング時間が１７分のときエッチングの終点であり、ＣＨＦ₂ ⁺イオンのピーク強度が最小となって変化しなくなる。同様に、ＣＦ₂ ⁺の時間変化は、図３に示すように、逆に時間と共に増加し、１７分で最大となって変化しなくなる。
従来、このようなエッチバックによってマイクロレンズなどの加工をする場合、終点となる時問を予め求めておき設定時間に達したとき放電終了としていた。プラズマ密度が低くエッチ速度が低い場合には、多少の時間的ズレは許容されるからである。しかし、高密度プラズマでエッチングする場合、高精度の終点検出が必要になり、これは本発明を実施することにより達成され得る。
【００２０】
ところで図示実施例ではＮＬＤエッチング装置に適用した例について説明してきたが、本発明は他の形式のエッチング装置にも同様に適用することができる。
また、図示実施例では、マイクロマシンの部品や光学部品の加工に応用した場合について説明してきたが、同様な効果は他の加工に適用した場合も期待できることは言うまでもない。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、基板とレジストの選択比が１〜２の範囲のエッチングを行うようにした反応性イオンエッチングにおいて、質量分析計を基板電極付近に設け、プラズマ中で生成されるイオン種を観測できるようにすると共に、ＣＨＦ₂ ⁺イオン等のピーク強度の時間変化からエッチング終点を検出するように構成しているので、加工形状や厚みを高精度に制御できるようになる。その結果、半導体や電子部品、ガラスなどの加工に用いられている反応性イオンエッチングプロセスに大きく貢献することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す概略線図。
【図２】 図１の装置を使用して実測したプラズマ中のＣＨＦ₂ ＋強度の時間依存性を示すグラフ。
【図３】 図１の装置を使用して実測したプラズマ中のＣＦ₂ 強度の時間依存性を示すグラフ。
【図４】 従来の平行平板型エッチング装置の一例を示す概略線図。
【図５】 従来の３極エッチング装置を示す概略線図。
【図６】 従来のECRエッチング装置を示す概略線図。
【図７】 従来の誘導結合型エッチング装置を示す概略線図。
【図８】 従来のトランスファ結合型エッチング装置を示す概略線図。
【図９】 従来の磁気中性線放電型エッチング装置を示す概略線図。
【符号の説明】
１：真空チャンバー
２：円筒形の誘電体側壁
３：磁場コイル
４：磁場コイル
５：磁場コイル
６：磁気中性線
７：高周波コイル
８：プラズマ発生用高周波電源
９：天板
10：シャワープレート
11：基板電極
12：マッチングコンデンサー
13：バイアス高周波電源
14：質量分析器
15：コンピューター
16：排気口

Claims (6)

1. 真空チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設け、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置された基板をエッチングする反応性イオンエッチング方法において、
   真空チャンバーの側壁に質量分析計を配置して、プラズマ中で生成されるＣＨＦ _２ ^＋ を含む各種イオンをモニターしてＣＨＦ _２ ^＋ イオンを含むピーク強度の時間変化から終点を検出し、検出した信号に基づきプラズマ発生装置の電源制御装置を制御して放電を終了させることを特徴とする反応性イオンエッチング方法。
2. 塗布したレジストマスクをエッチバックしてパターン転写する工程に使用することを特徴とする請求項１に記載の反応性イオンエッチング方法。
3. 真空チャンバー内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成するための磁場発生手段と、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するための１重を含む多重の高周波コイルとからなるプラズマ発生装置を設け、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを積極的に利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置された基板をエッチングする反応性イオンエッチング方法において、
   真空チャンバーの側壁に質量分析計を配置して、プラズマ中で生成されるＣＨＦ _２ ^＋ を含む各種イオンをモニターしてＣＨＦ _２ ^＋ イオンを含むピーク強度の時間変化から終点を検出し、検出した信号に基づきプラズマ発生装置の電源制御装置を制御して放電を終了させることを特徴とする反応性イオンエッチング方法。
4. 塗布したレジストマスクをエッチバックしてパターン転写する工程に使用することを特徴とする請求項３に記載の反応性イオンエッチング方法。
5. 真空チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設け、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置された基板をエッチングするように構成すると共に、真空チャンバーの側壁に、プラズマ中で生成されるＣＨＦ _２ ^＋ を含む各種イオンをモニターする質量分析計を設け、またこの質量分析計の出力からＣＨＦ _２ ^＋ イオンを含むピーク強度の時間変化から終点を検出する終点検出手段を設け、終点検出手段で検出した信号に基づきプラズマ発生装置の電源制御装置を制御して放電を終了させるように構成したことを特徴とする反応性イオンエッチング装置。
6. 真空チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置が、真空チャンバー内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成するための磁場発生手段と、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するための１重を含む多重の高周波コイルとから成っていることを特徴とする請求項５に記載の反応性イオンエッチング装置。

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