(57)【要約】【課題】水素ガスをエッチングガスとして用いた場合に、シリコン材料の表面粗さを悪化させることなく、シリコン基板を鏡面加工し得るプラズマ加工装置及びプラズマ加工方法を提供する。【解決手段】プラズマ加工処理装置１０は、水素雰囲気下にてシリコン基板２に近接させた電極１１とシリコン基板２との間に生成した水素プラズマ６を、シリコン基板２の表面に接触させてシリコン基板２をエッチングする。水素プラズマ６を生成するためのマイクロ波を出力するマイクロ波発振器２３と、電極１１を形成するパイプ内を通して水素ガスをシリコン基板２の加工面へ向けてプラズマ内部へ供給する水素導入ライン１２とを備える。シリコン基板２の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にてシリコン基板２をエッチングする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素雰囲気下にてシリコン基板に近接させた電極とシリコン基板との間に生成した水素プラズマを、該シリコン基板の表面に接触させて該シリコン基板をエッチングするプラズマ加工装置において、
上記水素プラズマを生成するためのマイクロ波を出力するマイクロ波発生手段と、
上記電極を形成するパイプ内を通して水素ガスをシリコン基板の加工面へ向けてプラズマ内部へ供給する水素ガス供給手段とを備えると共に、
上記シリコン基板の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にて上記シリコン基板をエッチングするエッチング制御手段が設けられていることを特徴とするプラズマ加工装置。
【請求項２】
前記エッチング制御手段は、シリコン基板の深さ方向に対して４μｍ／ｍｉｎ以上のエッチング速度にて前記シリコン基板をエッチングすることを特徴とする請求項１記載のプラズマ加工装置。
【請求項３】
前記エッチング制御手段は、水素を前記プラズマ内部へ水素ガス供給流速５０ｍ／ｓｅｃ以上にて供給することを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ加工装置。
【請求項４】
前記シリコン基板を搭載する基板搭載部には、基板冷却手段が設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のプラズマ加工装置。
【請求項５】
前記シリコン基板を前記電極に対して平行移動させる平行移動手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ加工装置。
【請求項６】
前記シリコン基板をエッチングするときの反応容器内の圧力を、５０〜２００Ｔｏｒｒに保つ圧力保持手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマ加工装置。
【請求項７】
水素雰囲気下にてシリコン基板に近接させた電極とシリコン基板との間に生成した水素プラズマを、該シリコン基板の表面に接触させて該シリコン基板をエッチングするプラズマ加工方法において、
上記水素プラズマを生成するためのマイクロ波を出力し、
上記電極を形成するパイプ内を通して水素ガスをシリコン基板の加工面へ向けてプラズマ内部へ供給し、
上記シリコン基板の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にて上記シリコン基板をエッチングすることを特徴とするプラズマ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素プラズマによりシリコン表面の表面粗さを悪化させることなく鏡面加工可能なプラズマ加工装置及びプラズマ加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体関連分野において、単結晶シリコン、多結晶シリコン、及びアモルファスシリコン等のシリコン材料をプラズマにより加工する技術は必要不可欠な技術であり、様々な技術分野において発明が開示されている。
【０００３】
例えば特許文献１及び特許文献２には、プラズマによるシリコンウェハの加工変質層除去を目的とした発明が開示されている。例えば、上記特許文献１は、図１１に示すように、一次ポリッシング後のシリコンウェハ１０１を、プラズマエッチングにより平坦化しており、この平坦化工程では、六弗化硫黄と水素ガスとを含むガスを使用している。具体的には、この装置では、プロセスガスである水素ガスを含んだ六弗化硫黄ガスをプロセスガス供給ライン１０２から導入し、プラズマ発生装置１０３を稼動して石英放電管１０４の中でフッ素ラジカル１０５を発生せしめ、その先端ノズル１０６より照射せしめる。シリコンウェハ１０１は、水平駆動されながら、上記石英放電管１０４の先端ノズル１０６から照射されるフッ素ラジカルによりエッチング作用を受ける。フッ素ラジカルはその下に位置するシリコンウェハ１０１の部分に局部的に作用するが、シリコンウェハが前述の通り水平駆動されるので、それによりウェハ全面がエッチング加工されるようになっている。
【０００４】
一方、例えば、特許文献３には、シリコンウェハやＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハのシリコン層を一様に薄くしたり、均一に平坦化したりすることを目的として、フッ素化合物ガスに水素又はアンモニアを添加することによって、エッチング後の表面粗さを改善する旨記載されている。さらに、特許文献４には、ＬＳＩ製作工程におけるトレンチ加工に関する発明が開示されており、フッ素化合物を有するエッチングガスの利用により、フロン系ガスを用いずにシリコンのエッチングを行う旨が記載されている。
【特許文献１】特開２０００−２５６０９４号公報（２０００年９月１９日公開）
【特許文献２】特開２００１−２４４２４０号公報（２００１年９月７日公開）
【特許文献３】特開２０００−１７４００４号公報（２０００年６月２３日公開）
【特許文献４】特開平１０−１６３１７５号公報（１９９８年６月１９日公開）
【非特許文献１】Appl.Phys.Lett.Vol.67 No.24 p.3590
【非特許文献２】Jpn.J.Appl.Phys.vol.46 No.10A p.6796
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来、シリコン材料をプラズマによりエッチング加工する場合には、前述したように、ＣＦ４ 、ＳＦ６ 等のフッ素系ガス、又は塩素系ガスが、エッチングガスとして用いられている。
【０００６】
これらのフッ素系ガスは、温暖化係数が高く、地球環境への負荷が大きいというデメリットがある。また、塩素系ガスにおいては、毒性があり、設備を腐食させるというデメリットがある。さらには、これらのガスを用いる際には、除害設備等の設置にも多大なコストがかかる。また、ハロゲン系ガスは、非常に吸着エネルギが大きく、真空槽内へ多分に残留するため、これらを真空槽内から除去するには、ベーキング等のさらなるエネルギを必要とする。
【０００７】
一方、フッ素系ガス及び塩素系ガス以外でシリコンをエッチングできるガスとしては水素ガスが挙げられ、水素ガスならば前述のような問題を伴うことはない。
【０００８】
しかしながら、一般に、水素プラズマにてシリコンをエッチングすると、過剰水素がシリコン表面近傍に拡散・混入することにより、プレートレット欠陥が生じ、生じた欠陥を起点としてエッチングが進行するため表面粗さが悪化するという問題点を有していることが知られている。
【０００９】
尚、例えば、非特許文献１には、水素プラズマ処理による表面粗さの悪化とそのメカニズムに関する考察が記載されている。また、非特許文献２には、水素プラズマ処理により表面粗さが悪化することを逆に利用し、シリコン表面にテクスチャ構造を形成することを目的とした試みが記載されている。
【００１０】
以上のように、水素をエッチングガスとしたプラズマ加工では表面粗さが大きく悪化するため、各種デバイスを形成するには不向きであると考えられている。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、水素ガスをエッチングガスとして用いた場合に、シリコン材料の表面粗さを悪化させることなく、シリコン基板を鏡面加工し得るプラズマ加工装置及びプラズマ加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のプラズマ加工装置は、上記課題を解決するために、水素雰囲気下にてシリコン基板に近接させた電極とシリコン基板との間に生成した水素プラズマを、該シリコン基板の表面に接触させて該シリコン基板をエッチングするプラズマ加工装置において、上記水素プラズマを生成するためのマイクロ波を出力するマイクロ波発生手段と、上記電極を形成するパイプ内を通して水素ガスをシリコン基板の加工面へ向けてプラズマ内部へ供給する水素ガス供給手段とを備えると共に、上記シリコン基板の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にて上記シリコン基板をエッチングするエッチング制御手段が設けられていることを特徴としている。
【００１３】
本発明のプラズマ加工方法は、上記課題を解決するために、水素雰囲気下にてシリコン基板に近接させた電極とシリコン基板との間に生成した水素プラズマを、該シリコン基板の表面に接触させて該シリコン基板をエッチングするプラズマ加工方法において、上記水素プラズマを生成するためのマイクロ波を出力し、上記電極を形成するパイプ内を通して水素ガスをシリコン基板の加工面へ向けてプラズマ内部へ供給し、上記シリコン基板の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にて上記シリコン基板をエッチングすることを特徴としている。
【００１４】
上記の発明によれば、水素雰囲気下にてマイクロ波により高密度な原子状水素である水素プラズマを生成し、この水素プラズマを直接シリコン基板に接触させてエッチング加工を行う。そして、このとき、エッチング制御手段にてシリコン基板のエッチング加工速度を飛躍的に向上させ、シリコン基板内部への水素の拡散速度を上回る速度でエッチングを行う。そして、水素のシリコン基板内部への拡散速度以上の速度にてエッチング加工することにより、シリコン基板の表面近傍でのプレートレット欠陥の発生が抑制されるため、シリコン基板の鏡面加工が可能となる。
【００１５】
また、従来の大気圧プラズマ中でのエッチング加工では、多数の原子や分子等が存在することから、大気圧プラズマ中のイオンはシリコン基板の表面に衝突する前に何らかの原子や分子と衝突し、加工の際にシリコン基板の表面にダメージを与える可能性がある。
【００１６】
この点、本発明では、水素雰囲気下による水素プラズマにてエッチング加工するので、大気圧プラズマ中のイオンが直接シリコン基板の表面に衝突することがない。このため、加工の際に表面にダメージを与えることがない。すなわち、結晶学的に乱れのない表面が実現できる。また、水素ガスのみを用いており、フッ素系ガス又は塩素系ガスを使用することがないため、除害設備等にかかる多大なコストや装置腐食に対するメンテナンス費用を低減することができる。
【００１７】
したがって、水素ガスをエッチングガスとして用いた場合に、シリコン材料の表面粗さを悪化させることなく、シリコン基板を鏡面加工し得るプラズマ加工装置及びプラズマ加工方法を提供することができる。
【００１８】
本発明のプラズマ加工装置では、前記エッチング制御手段は、シリコン基板の深さ方向に対して４μｍ／ｍｉｎ以上のエッチング速度にて前記シリコン基板をエッチングすることが好ましい。
【００１９】
これにより、シリコン基板の表面粗さをＲＭＳ（Root Mean Square）粒状度０．０２μｍ以下の鏡面仕上げにすることが可能となる。
【００２０】
本発明のプラズマ加工装置では、前記エッチング制御手段は、水素を前記プラズマ内部へ水素ガス供給流速５０ｍ／ｓｅｃ以上にて供給することが好ましい。
【００２１】
これにより、シリコン基板の深さ方向に対して４μｍ／ｍｉｎ以上のエッチング速度にてシリコン基板をエッチングすることが可能となる。
【００２２】
本発明のプラズマ加工装置では、前記シリコン基板を搭載する基板搭載部には、基板冷却手段が設けられていることが好ましい。
【００２３】
すなわち、水素プラズマによりシリコン基板をエッチング加工する場合、シリコン基板の温度が低い方がエッチング加工速度は上昇する。
【００２４】
この点、本発明では、シリコン基板を搭載する基板搭載部には基板冷却手段が設けられているので、基板冷却手段にてシリコン基板を冷却することができる。そして、シリコン基板に近接する電極のパイプの内部からシリコン基板加工面に向けて比較的大流量の水素ガスを吹き付けるため、シリコン基板を低温に維持することが可能であり、エッチング加工速度を向上させることができる。
【００２５】
本発明のプラズマ加工装置では、前記シリコン基板を前記電極に対して平行移動させる平行移動手段が設けられていることが好ましい。
【００２６】
これにより、平行移動手段にてシリコン基板を電極に対して平行移動させることによって、シリコン基板を２次元的に鏡面加工することができる。
【００２７】
本発明のプラズマ加工装置では、前記シリコン基板をエッチングするときの反応容器内の圧力を、５０〜２００Ｔｏｒｒに保つ圧力保持手段を備えていることが好ましい。
【００２８】
これにより、低圧雰囲気を形成するために必要とされるような強度を有する反応容器や強力な排気システム等が必要でなくなり、装置コストを低下させることができる。したがって、最終製品のコストダウンを図ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のプラズマ加工装置は、以上のように、水素プラズマを生成するためのマイクロ波を出力するマイクロ波発生手段と、上記電極を形成するパイプ内を通して水素ガスをシリコン基板の加工面へ向けてプラズマ内部へ供給する水素ガス供給手段とを備えると共に、上記シリコン基板の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にて上記シリコン基板をエッチングするエッチング制御手段が設けられているものである。
【００３０】
本発明のプラズマ加工方法は、以上のように、水素プラズマを生成するためのマイクロ波を出力し、上記電極を形成するパイプ内を通して水素ガスをシリコン基板の加工面へ向けてプラズマ内部へ供給し、上記シリコン基板の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にて上記シリコン基板をエッチングする方法である。
【００３１】
それゆえ、水素ガスをエッチングガスとして用いた場合に、シリコン材料の表面粗さを悪化させることなく、シリコン基板を鏡面加工し得るプラズマ加工装置及びプラズマ加工方法を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の一実施形態について図１ないし図１０に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３３】
本実施の形態のプラズマ加工装置としてのプラズマ加工処理装置１０の構成について、図１に基づいて説明する。図１は、本発明に用いられるプラズマ加工処理装置１０の好ましい一例の模式的な側面透視図である。
【００３４】
上記プラズマ加工処理装置１０は、図１に示すように、シリコン基板２をプラズマ加工処理する反応場となる内部空間が設けられた反応容器１と、上記シリコン基板２に近接可能に設けられて、シリコン基板２との間に生成した水素プラズマをシリコン基板２の表面に接触させるパイプ状の電極１１と、上記電極１１のパイプ内を通して該電極１１の先端出口に水素を供給する水素ガス供給手段としての水素導入ライン１２と、上記電極１１出口への水素の供給量を調整する水素ガス流量調器１３と、上記電極１１に導波管２１及び誘電体２２を介してマイクロ波電力を供給するマイクロ波発生手段としてのマイクロ波発振器２３とを備えている。
【００３５】
上記シリコン基板２は、反応容器１の底面に対して水平に設けられた基板搭載部及び平行移動手段としての基板ステージ３に載置されるようになっている。この基板ステージ３は、図１の矢印Ｘで示される水平方向、及び図１の矢印Ｙで示される紙面に対して垂直な方向（電極１１に対し垂直方向）に走査可能に構成されている。また、基板ステージ３には、この基板ステージ３上に載置されるシリコン基板２を吸着固定するための図示しない真空チャックが設けられており、基板ステージ３の移動によって、プラズマ加工処理中のシリコン基板２が載置位置からずれないように固定されている。
【００３６】
さらに、上記基板ステージ３は接地されていると共に、この基板ステージ３の内部には、該基板ステージ３上に載置されるシリコン基板２を冷却するための基板冷却手段としての冷却機構４が設けられている。また、基板ステージ３は銅製にてなっており、熱伝導率がよいので、冷却機構４のシリコン基板２への冷却効率が増大するようになっている。
【００３７】
尚、本実施の形態では、冷却機構４の冷媒として例えば２０℃の水を使用しているが、本発明においては、必ずしもこれに限らず、他の冷媒を用いることも可能である。
【００３８】
一方、上記電極１１は、上記基板ステージ３の上方に基板ステージ３に対して垂直になるように設けられている。上記電極１１は上下方向に移動可能に構成されており、電極１１が上下方向に移動することにより、下方のシリコン基板２と電極１１との距離を適宜変更することができるようになっている。また、電極１１は水素ガスを導入するための水素導入ライン１２に繋がっており、電極１１パイプの内部からシリコン基板２に向けて水素ガスが供給可能となっている。
【００３９】
上記導波管２１には、マイクロ波整合器２４及び可動短絡端２５が設けられている。また、本実施の形態では、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いている。
【００４０】
上記反応容器１内には、ガスを排出するためのガス排気ライン５が設けられており、このガス排気ライン５は、反応容器１の外部にガスを吸引するための図示しないポンプに接続されている。したがって、上記ガス排気ライン５は、本発明の圧力保持手段としての機能を有している。
【００４１】
尚、本発明のエッチング制御手段は、マイクロ波発生手段と、水素ガス供給手段と、基板冷却手段と、圧力保持手段とを含んでおり、これらによって、シリコン基板２の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にて上記シリコン基板２をエッチングするようになっている。
【００４２】
上記構成のプラズマ加工処理装置１０を用いて、シリコン基板２の表面をプラズマ加工処理する方法の一例について以下に説明する。
【００４３】
まず、反応容器１の内部のガスをガス排気ライン５によって十分に排気した後、水素導入ライン１２からパイプ状の電極１１の内部を通し、水素ガスを反応容器１の内部に導入する。ここで、水素ガスの供給とガス排気ライン５からの排気を同時に行うことにより、反応容器１の内部の圧力を所定の圧力に維持する。
【００４４】
次いで、反応容器１の外部に設けられたマイクロ波発振器２３からマイクロ波電力を導波管２１及び誘電体２２を介して電極１１に印加する。このマイクロ波電力が電極１１に印加されると、電極１１と基板ステージ３との間に電場が生じる。
【００４５】
上記電極１１と基板ステージ３との間に形成された電場は、電極１１とシリコン基板２の表面との間に供給された水素ガスを分解及び励起して、電極１１とシリコン基板２の表面との間に水素プラズマ６を形成する。この水素プラズマ６がシリコン基板２の表面に接触し、水素プラズマ６によって生成した原子状水素がシリコン基板２の表面に作用し、ＳｉＨ４ ガスを生成し、気相中に気化・拡散することによって、シリコン基板２の加工が進行する。
【００４６】
この場合、シリコン基板２が載置された基板ステージ３を所定の走査方向に所定の速度で走査させることによって、電極１１をシリコン基板２の表面に対して平行方向に相対的に移動させながら、水素プラズマ６をシリコン基板２に接触させることもできる。電極１１をシリコン基板２の表面に対して平行方向に相対的に移動させることによって、シリコン基板２の表面が大きい場合でもシリコン基板２の表面全体を加工することができる。
【００４７】
また、電極１１とシリコン基板２の表面との間の距離を一定とした状態にて電極１１をシリコン基板２の表面に対して平行方向に相対的に移動させることが好ましい。このときには、シリコン基板２の表面の加工ばらつきを低減することができる。
【００４８】
また、シリコン基板２の温度は、図２に示すように、３００℃以下が好ましい。すなわち、図２はプラズマ加工処理装置１０における基板温度とエッチングレートとの関係を示すグラフである。この図２に示すように、例えば、Ｓｉ（００１）面では、３００℃以下でエッチングレートが極度に大きくなっており、他の結晶面においても３００℃以下でエッチングレートが大きくなっていることが分かる。尚、この現象は、例えば、ＣＦ４ 等とは反対の特性となっている。
【００４９】
このように、本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０は、水素雰囲気下にてシリコン基板２に近接させた電極１１とシリコン基板２との間に生成した水素プラズマを、該シリコン基板２の表面に接触させて該シリコン基板２をエッチングする。
【００５０】
そして、プラズマ加工処理装置１０は、水素プラズマ６を生成するためのマイクロ波を出力するマイクロ波発振器２３と、電極１１を形成するパイプ内を通して水素ガスをシリコン基板２の加工面へ向けてプラズマ内部へ供給する水素導入ライン１２とを備えると共に、シリコン基板２の内部への水素の拡散速度以上のエッチング速度にてシリコン基板２をエッチングするエッチング制御手段が設けられている。
【００５１】
本実施の形態では、水素雰囲気下にてマイクロ波により高密度な原子状水素である水素プラズマ６を生成し、この水素プラズマ６を直接シリコン基板２に接触させてエッチング加工を行う。そして、このとき、水素ガス流量調器１３にてシリコン基板２のエッチング加工速度を飛躍的に向上させ、シリコン基板２内部への水素の拡散速度を上回る速度でエッチングを行う。そして、水素のシリコン基板２内部への拡散速度以上の速度にてエッチング加工することにより、シリコン基板２の表面近傍でのプレートレット欠陥の発生が抑制されるため、シリコン基板２の鏡面加工が可能となる。すなわち、シリコン基板２の未処理状態と同等の鏡面加工が可能となる。
【００５２】
尚、この原理としては、シリコン（Ｓｉ）バルク内への水素の拡散速度を上回る速度でエッチングを行うことにより、水素のシリコン（Ｓｉ）バルク内への過剰進入を抑制することによって達成されるものと考えられる。
【００５３】
ところで、従来の大気圧プラズマ中でのエッチング加工では、多数の原子や分子等が存在することから、大気圧プラズマ中のイオンはシリコン基板２の表面に衝突する前に何らかの原子や分子と衝突し、加工の際にシリコン基板２の表面にダメージを与える可能性がある。
【００５４】
この点、本実施の形態では、水素雰囲気下による水素プラズマ６にてエッチング加工するので、大気圧プラズマ中のイオンが直接シリコン基板２の表面に衝突することがない。このため、加工の際に表面にダメージを与えることがない。すなわち、結晶学的に乱れのない表面が実現できる。また、水素ガスのみを用いており、フッ素系ガス又は塩素系ガスを使用することがないため、除害設備等にかかる多大なコストや装置腐食に対するメンテナンス費用を低減することができる。
【００５５】
また、本実施の形態では、水素プラズマ６を生成するために例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いている。このため、例えば、一般的な周波数である１３．５６ＭＨｚの高周波を用いる場合に比べて、水素ラジカル密度が多くなり、水素のシリコン基板２内部への拡散速度以上の速度でのエッチング加工が可能である。
【００５６】
したがって、水素ガスをエッチングガスとして用いた場合に、シリコン材料の表面粗さを悪化させることなく、シリコン基板２を鏡面加工し得るプラズマ加工処理装置１０及びプラズマ加工方法を提供することができる。
【００５７】
本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０では、エッチング制御手段は、シリコン基板２の深さ方向に対して４μｍ／ｍｉｎ以上のエッチング速度にてシリコン基板２をエッチングする。これにより、シリコン基板２の表面粗さをＲＭＳ（Root Mean Square）粒状度０．０２μｍ以下の鏡面仕上げにすることが可能となる。尚、一般的には、４μｍ／ｍｉｎ以上のエッチング速度の実現は困難である。また、シリコン基板２の移動速度は、深さ方向への加工速度には、影響しない。すなわち、速く走査していても、遅く走査していても、深さ方向へは同じ速度でエッチングされる。
【００５８】
また、本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０では、エッチング制御手段の一つである水素ガス流量調器１３は、水素を前記プラズマ内部へ水素ガス供給流速５０ｍ／ｓｅｃ以上にて供給する。すなわち、本実施の形態では、水素ガス供給量が、従来のフッ素化合物ガス等でのエッチングのガス供給量に比べて格段に大きいものとなっている。例えば、前述した特許文献４では、フッ素化合物ガスを３０〜４０ｃｃ／ｍｉｎにて供給しているのに対して、本実施の形態では、水素ガスを１０〜３０Ｌ／ｍｉｎにて供給するものとなっている。
【００５９】
これにより、シリコン基板２の深さ方向に対して４μｍ／ｍｉｎ以上のエッチング速度にてシリコン基板２をエッチングすることが可能となる。また、これにより、大量の水素ガスを供給するので、水素プラズマ６が高温になるのを防止し、シリコン基板２の内部への水素の拡散速度の増大を抑制することができる。
【００６０】
ところで、水素プラズマ６によりシリコン基板２をエッチング加工する場合、シリコン基板２の温度が低い方がエッチング加工速度は上昇する。
【００６１】
この点、本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０では、シリコン基板２を搭載する基板ステージ３には、冷却機構４が設けられている。このため、冷却機構４にてシリコン基板２を冷却することができる。そして、シリコン基板２に近接する電極１１のパイプの内部からシリコン基板２加工面に向けて比較的大流量の水素ガスを吹き付けるため、シリコン基板２を低温に維持することが可能であり、エッチング加工速度を向上させることができる。尚、水冷にて冷却する場合には、水温５〜２０℃が好ましい。
【００６２】
また、本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０では、シリコン基板２を電極１１に対して平行移動させる基板ステージ３が設けられている。これにより、基板ステージ３にてシリコン基板２を電極１１に対して平行移動させることによって、シリコン基板２を２次元的に鏡面加工することができる。つまり、シリコン基板２の表面を鏡面加工することができる。
【００６３】
また、本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０では、シリコン基板２をエッチングするときの反応容器１内の圧力を、５０〜２００Ｔｏｒｒに保つガス排気ライン５を備えている。
【００６４】
これにより、低圧雰囲気を形成するために必要とされるような強度を有する反応容器１や強力な排気システム等が必要でなくなり、装置コストを低下させることができる。したがって、最終製品のコストダウンを図ることができる。
【００６５】
また、反応容器１内の圧力を５０〜２００Ｔｏｒｒとすることにより、このような反応装置では、一般に、５０Ｔｏｒｒ未満の低圧にて反応が行われることが多い、しかし、このような５０Ｔｏｒｒ未満の低圧では、水素の供給量も必然的に少なくなる。
【００６６】
この点、本実施の形態では、５０Ｔｏｒｒ未満の低圧に比べて大気圧近傍である５０〜２００Ｔｏｒｒとしているので、水素の供給量を多くすることができる。したがって、水素ラジカルの密度を非常に高くしてエッチング加工速度を向上させることができる。
【００６７】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【実施例】
【００６８】
以下、図１に示されたプラズマ加工処理装置１０によりシリコン基板２を加工する場合に、水素ガスのみにて鏡面加工を実現するための最適な条件を設定するための実験を行ったので、その結果について説明する。
〔実施例１：加工速度と加工後表面粗さとの相関検討〕
図１に示すプラズマ加工処理装置１０のパイプ状の電極１１から水素ガスを供給し、マイクロ波電力を供給することにより、電極１１とシリコン基板２との間に水素プラズマ６を生成し、加工実験を行った。このパイプ状の電極１１は、例えば、外径６．４ｍｍ（１／４ｉｎｃｈ）、内径４．０ｍｍのＳＵＳチューブを使用している。
【００６９】
実験条件を表１に示す。加工実験中は、表１の水素供給流量にて電極１１内から水素プラズマ６の内部へ直接水素ガスを供給し続けており、ガス排気ライン５の排気速度を変化させることにより、雰囲気圧力を表１の範囲内で一定に保っている。実験中は、基板ステージ３の内部に２０℃の冷却水を供給し続けてシリコン基板２の冷却を行った。これにより、シリコン基板２の温度は約３８℃であった。
【００７０】
加工速度と加工後表面粗さとの相関について検討するため、表１の条件範囲にて加工したサンプルの加工深さから加工速度を算出し、それぞれの加工後表面粗さをレーザ顕微鏡により測定した。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
結果を図３に基づいて説明する。図３は加工後表面粗さの加工速度依存性を示すグラフである。
【００７３】
図３に示すように、加工速度２μｍ／ｍｉｎ以下の領域では、加工速度の上昇と共に表面粗さは大きくなっている。これは、加工時間を一定としたため、加工速度の上昇と共に加工深さが深くなるためであると考えられる。加工速度２μｍ／ｍｉｎ以上の領域では、加工速度の上昇と共に表面粗さは小さくなり、加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上では、レーザ顕微鏡の測定限界であるＲＭＳ（Root Mean Square）粒状度が０．０２μｍ以下となった。
【００７４】
加工速度４μｍ／ｍｉｎ未満にて加工したサンプルの加工後表面は、表面粗さが悪化したため目視レベルでは白濁して見える。しかし、加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上にて加工したサンプルの加工後表面は目視レベルでは全て鏡面であった。それぞれの領域のサンプル表面をＳＥＭにて観察した結果を、図４（ａ）（ｂ）に示す。図４（ａ）は加工速度４μｍ／ｍｉｎ未満にて加工したサンプルの加工後表面を示す顕微鏡写真であり、図４（ｂ）は加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上にて加工したサンプルの加工後表面を示す顕微鏡写真である。
【００７５】
図４（ａ）に示すように、加工速度４μｍ／ｍｉｎ未満の領域Ａでは表面粗さが非常に悪化していることが分かるが、図４（ｂ）に示すように、加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上の領域Ｂでは顕著な凹凸は確認できなかった。
【００７６】
レーザ顕微鏡観察及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）観察から、長周期的な表面粗さの悪化は確認できなかったが、より微小な領域での表面粗さについて評価するため、加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上にて加工したサンプル表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）での測定を行った。ＡＦＭ測定結果を図５に示す。
【００７７】
図５に示すように、５００ｎｍ×５００ｎｍの範囲にて測定を行ったところ、ＲＭＳ（Root Mean Square）粒状度が０．１４９ｎｍとなり、サブｎｍオーダーの表面粗さが達成できていることが分かる。
【００７８】
このように、加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上では鏡面が得られたが、前述したように、シリコン基板２の内部への水素の拡散速度を上回る速度にて加工することにより、過剰水素の混入による表面近傍での欠陥発生を抑制し、鏡面加工を実現できるものと考えている。
【００７９】
加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上を達成するためには、適切な実験条件に設定する必要があるが、各パラメータと加工速度との相関について検討した結果、表１の実験条件の中で加工速度に対し最も強い相関を示すパラメータは水素供給流量（流速）であった。
【００８０】
図３に示したサンプル作成時の各水素流量から、電極１１とシリコン基板２との間のギャップ部を通過する水素流速を求め、加工速度との相関についてまとめた結果を、図６に示す。図６は水素供給流速と加工速度との関係を示すグラフである。
【００８１】
図６に示すグラフから分かるように、水素供給流速の上昇に伴って加工速度が上昇する傾向にある。流速（流量）の上昇に伴って供給される原子状水素の絶対数が上昇すること、及び流量上昇に伴って基板冷却効果が高くなることが、加工速度上昇の要因であると考えている。ただし、水素流速が過多になると水素プラズマ６に内部での反応時間が短くなり過ぎ、逆に下降速度は低下するため、実施例１におけるプラズマ加工処理装置１０の装置構成においては、水素供給流速は２００ｍ／ｓｅｃ程度以下に設定することが好ましいと言える。
【００８２】
尚、加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上を達成するためには、５０ｍ／ｓｅｃ以上の水素供給流速が必要であることが、図６のグラフから分かる。電極サイズの変更に伴い、必要な水素供給流量は変わると考えられるが、水素供給流速５０ｍ／ｓｅｃ以上となるように水素供給流量を設定すれば、電極１１のサイズが異なる場合においても加工速度４μｍ／ｍｉｎを達成でき、鏡面加工を実現できるものと考えられる。
〔実施例２：多結晶シリコン基板の鏡面加工〕
水素プラズマによってシリコン基板２を加工する場合、面方位の違いによって加工速度が異なることが一般に知られている。これは面方位によって最表面におけるシリコン原子のバックボンドの数が異なることが要因であると考えられている。したがって、面方位による加工速度比は（１００）面＞（１１０）面＞（１１１）面となる。
【００８３】
このように、従来の水素プラズマ処理では、面方位により加工速度に大きな差が生じるため、様々な面方位をもつ多結晶シリコン基板を加工した場合、前述した過剰水素の混入による表面への欠陥導入のみならず、面方位による加工速度の違いも表面粗さ悪化の原因となるため、平坦化加工を実現することは困難である。
【００８４】
しかし、本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０ならば、多結晶シリコン基板の鏡面加工を行うことも可能である。
【００８５】
まず、本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０にて、Ｓｉ（１００）面及びＳｉ（１１１）面を加工した結果を以下に説明する。表２の実験条件にて実施例１と同様の手順で水素プラズマ６を生成し、Ｓｉ（１００）面及びＳｉ（１１１）面の加工を行い、面方位の違いによる加工速度の違いを評価した。
【００８６】
【表２】
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【００８７】
結果を図７に示す。図７は本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０における、Ｓｉ（１００）面及びＳｉ（１１１）面の加工速度を示すグラフである。
【００８８】
図７から分かるように、面方位による加工速度の差は殆ど見られなかった。
【００８９】
次に、表２の実験条件にて水素プラズマ６を生成し、多結晶シリコン基板の加工を行った。加工後の多結晶シリコン基板の写真を、図８に示す。
【００９０】
図８に示すように、シリコン基板２の中央部の加工部が光沢を持っており、鏡面加工されていることが分かる。すなわち、外径６．４ｍｍ、内径４ｍｍ（肉厚：１．２ｍｍ）のパイプ状の電極１１を用いることによって、図８に示すように、幅１０ｍｍ程度のエッチング加工が可能であることが分かる。
【００９１】
ここで、加工部及び未加工部の表面粗さをレーザ顕微鏡により測定した結果を、図９示す。図９に示すように、未加工部に比較し加工部では表面粗さが大きく改善されていることが分かる。また、図１０は、多結晶シリコン基板の粒界部分をレーザ顕微鏡により測定した結果を示している。図１０に示すように、顕著な段差等は確認されず、やはり面方位による加工速度の差は生じずに、平坦化されていることが分かる。
【００９２】
以上のように、本実施の形態のプラズマ加工処理装置１０にて最適な加工条件に設定することにより、過剰水素の混入による表面への欠陥導入を抑制し、なおかつ面方位による加工速度差を抑制できるため、多結晶シリコン基板の鏡面加工を行うことも可能であることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、単結晶シリコンウェハ製造時の加工変質層の除去方法、またＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハの均一平坦化方法、ＳＯＩウェハのシリコン層薄膜化、その他、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit：大規模集積回路）製造工程や液晶製造工程等のシリコン半導体素子形成工程において好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明におけるプラズマ加工処理装置の実施の一形態を示すものであり、プラズマ加工処理装置の構成を示す模式的な側面透視図である。
【図２】上記プラズマ加工処理装置における基板温度とエッチングレートとの関係を示すグラフである。
【図３】上記プラズマ加工処理装置における加工速度と加工後の表面粗さとの相関を示すグラフである。
【図４】（ａ）は上記プラズマ加工処理装置にてエッチング加工されたシリコン基板表面をＳＥＭにて観察した結果を示すものであって、加工速度４μｍ／ｍｉｎ未満にて加工したサンプルの加工後表面のＳＥＭ画像を示す図であり、（ｂ）は同、加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上にて加工したサンプルの加工後表面のＳＥＭ画像を示す図である。
【図５】上記プラズマ加工処理装置において加工速度４μｍ／ｍｉｎ以上にて加工されたシリコン基板表面をＡＦＭにて測定した結果のＡＦＭ画像を示す図である。
【図６】上記プラズマ加工処理装置における水素供給流速と加工速度との相関を示すグラフである。
【図７】上記プラズマ加工処理装置におけるＳｉ（１００）面及びＳｉ（１１１）面の加工速度を示すグラフである。
【図８】上記プラズマ加工処理装置にて加工された多結晶シリコン基板画像を示す図である。
【図９】上記プラズマ加工処理装置にて加工された多結晶シリコン基板における加工部及び未加工部の表面粗さを示すチャートである。
【図１０】上記プラズマ加工処理装置にて加工された多結晶シリコン基板における粒界部分の段差をレーザ顕微鏡により測定した結果を示すチャートである。
【図１１】従来のプラズマ加工装置の構成を示す模式的な側面透視図である。
【符号の説明】
【００９５】
１      反応容器
２      シリコン基板
３      基板ステージ（平行移動手段、基板搭載部）
４      冷却機構（基板冷却手段、エッチング制御手段）
５      ガス排気ライン（圧力保持手段、エッチング制御手段）
１０      プラズマ加工処理装置（プラズマ加工装置）
１１      電極
１２      水素導入ライン（水素ガス供給手段、エッチング制御手段）
１３      水素ガス流量調器（エッチング制御手段）
２１      導波管
２２      誘電体
２３      マイクロ波発振器（マイクロ波発生手段、エッチング制御手段）
２４      マイクロ波整合器
２５      可動短絡端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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