(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽内の反応ガスを電離させて生成するプラズマを介して真空槽内の被処理物体を加工処理するに際し、被処理物体の加工処理プロセスの進行中に真空槽内の反応ガスの圧力を０．１Ｐa 超過の高圧値とプラズマの維持が不可能な低圧値との間に周期的に変動させ、低圧値に保持する時間幅をプラズマのアフタグロー時間より小さくすることによりプラズマ中の活性種の存在比率を制御することを特徴とする物体の加工処理方法。
【請求項２】
真空槽内の反応ガスの圧力をパルス状に変動させることを特徴とする請求項１記載の物体の加工処理方法。
【請求項３】
真空槽の排気弁の開度を変化させて真空槽内の反応ガスの圧力を変動させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の物体の加工処理方法。
【請求項４】
真空槽の排気弁に同期して反応ガスの導入弁を開閉させることを特徴とする請求項３記載の物体の加工処理方法。
【請求項５】
被処理物体を収容する真空槽と、該真空槽に反応ガスを供給する反応ガス供給源と、前記真空槽内の反応ガスを電離させてプラズマを生成させる電力供給源とを備えてなり、前記真空槽は、被処理物体の加工処理プロセスの進行中に反応ガスの圧力を０．１Ｐa 超過の高圧値とプラズマの維持が不可能な低圧値との間に周期的に変動させ、低圧値に保持する時間幅をプラズマのアフタグロー時間より小さくすることを特徴とする物体の加工処理装置。
【請求項６】
前記真空槽の排気弁は、非磁性体のケーシング内に回転自在に収納する孔明きのロータを備え、該ロータは、前記ケーシングの外部からの回転磁界によって回転駆動して前記ケーシングの入口ポート、出口ポートの間を周期的に開閉させることを特徴とする請求項５記載の物体の加工処理装置。
【請求項７】
前記排気弁と真空ポンプとの間にリザーバを設置し、該リザーバは、前記排気弁が閉じている間に前記真空ポンプにより真空に排気することを特徴とする請求項６記載の物体の加工処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被処理物体に対し、プラズマエッチングやプラズマＣＶＤなどの各種の加工処理を容易に、しかも最適に行なうことができる物体の加工処理方法と、その装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空槽内に被処理物体を置いてプラズマを発生させると、被処理物体の近傍にイオンリッチなイオンシースと呼ばれる領域が形成され、イオンシース中の電界によってイオンが被処理物体の表面に向けて垂直に加速される。そこで、この現象を利用することにより、任意の被処理物体の表面をエッチング処理したり、イオンドーピング処理したり、薄膜を形成したりすることができる（たとえば特公昭５３−４４７９５号公報）。なお、以下の説明において、これらの処理を一括して物体の加工処理という。
【０００３】
従来のこの種の加工処理装置は、被処理物体を収容する真空槽内に反応ガスを連続的に導入し、数１０〜数１００MHz の高周波電力または数GHz のマイクロ波電力を投入して反応ガスを連続的に電離させ、加工処理用のプラズマ、いわゆるプロセスプラズマを真空槽内に生成させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来技術によるときは、反応ガスは、真空槽内に連続的に導入され、投入される電力によって連続的に電離されるので、プラズマ中の活性種または解離種（以下、特に断らない限り、両者を総称して単に活性種という）の存在比率は、反応ガスの種類と投入電力密度によってほぼ決定され、加工処理プロセスの内容によって活性種の存在比率を最適に設定することが必ずしも容易でないという問題があった。
【０００５】
たとえば、反応ガスとしてＣＦ4 を使用するシリコンウェーハのエッチング処理において、プラズマによって反応ガスが分解して生じる活性種Ｆ、ＣＦ、ＣＦ2 、ＣＦ3 と、それらのイオンは、Ｆが多い程シリコンウェーハの表面層の原子と反応し易く、揮発性のＳi Ｆ4 を作ってエッチングが進行する。この場合、それぞれの活性種によってエッチング速度が異なるばかりでなく、Ｆが少ない活性種は、逆にデポジションを生じることもある。そこで、アスペクト比の大きな微細穴をエッチングする場合、各活性種の存在比率を最適にし、穴の側壁に適量の保護膜をデポジットさせながらエッチングを進行させる必要がある。また、ダイアモンドライクカーボンをワーク上に成膜させる場合、炭化水素系のガスを反応ガスとして使用するが、プラズマ中の解離種（フラグメント）の存在比率により膜の特性が大きく変動する。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、加工処理プロセスの進行中に真空槽内の反応ガスの圧力を変動させることによって、プラズマ中の活性種の存在比率を制御し、各種の加工処理を容易に、しかも最適に行なうことができる物体の加工処理方法と、その装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためのこの出願に係る第１発明（請求項１に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、真空槽内の反応ガスを電離させて生成するプラズマを介して真空槽内の被処理物体を加工処理するに際し、被処理物体の加工処理プロセスの進行中に真空槽内の反応ガスの圧力を０．１Ｐa 超過の高圧値とプラズマの維持が不可能な低圧値との間に周期的に変動させ、低圧値に保持する時間幅をプラズマのアフタグロー時間より小さくすることによりプラズマ中の活性種の存在比率を制御することをその要旨とする。
【０００８】
なお、真空槽内の反応ガスの圧力をパルス状に変動させることができる。
【０００９】
また、真空槽の排気弁の開度を変化させて真空槽内の反応ガスの圧力を変動させてもよく、真空槽の排気弁に同期して反応ガスの導入弁を開閉させてもよい。
【００１０】
第２発明（請求項５に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、被処理物体を収容する真空槽と、真空槽に反応ガスを供給する反応ガス供給源と、真空槽内の反応ガスを電離させてプラズマを生成させる電力供給源とを備えてなり、真空槽は、被処理物体の加工処理プロセスの進行中に反応ガスの圧力を０．１Ｐa 超過の高圧値とプラズマの維持が不可能な低圧値との間に周期的に変動させ、低圧値に保持する時間幅をプラズマのアフタグロー時間より小さくすることをその要旨とする。
【００１１】
なお、真空槽の排気弁は、非磁性体のケーシング内に回転自在に収納する孔明きのロータを備え、ロータは、ケーシングの外部からの回転磁界によって回転駆動してケーシングの入口ポート、出口ポートの間を周期的に開閉させることができる。
【００１２】
また、排気弁と真空ポンプとの間にリザーバを設置し、リザーバは、排気弁が閉じている間に真空ポンプにより真空に排気してもよい。
【００１３】
【作用】
かかる第１発明の構成によるときは、加工処理プロセスの進行中において真空槽内の反応ガスの圧力を変動させ、プラズマ中の活性種の存在比率を適切に制御することにより、たとえばアスペクト比の大きな微細穴をエッチングする場合であっても、過大なオーバヘッドやアンダカットを生じることなく、高精度の仕上りを得ることができる。殊に、圧力をパルス状に変動させ、その時間平均値に着目すれば、定常プラズマによって実現不可能な活性種の存在比率をも実現することが可能である。
【００１４】
なお、以上のようなこの発明の骨子は、真空槽内のプラズマ中の活性種の存在比率が反応ガスの圧力変動に伴って変化するという新しい知見に基づいている（たとえば図９）。ただし、同図は、反応ガスとしてＣＦ4 を使用するとき、反応ガスの圧力Ｐ（Ｐa ）に対し、活性種ＣＦ、ＣＦ2 、ＣＦ3 の存在比率Ｒi （ｉ＝１、２、３）（％）の質量分析計による実測値をプロットしたものである。ただし、一般に、圧力Ｐ＜０．１Ｐa の領域では、プラズマを安定に維持することができないため、ここでは、プラズマが消滅するまでの微少時間（アフタグロー時間）内に存在比率Ｒi を測定している。
【００１５】
いま、真空槽内の反応ガスの圧力Ｐを時間的に図１０のように変化させ、周期Ｔ＝Ｔ1 ＋Ｔ2 ごとに圧力Ｐを高圧値Ｐ1 ＞０．１Ｐa 、低圧値Ｐ2 ＜０．１Ｐa の間にパルス状に変化させる。ただし、Ｔ1 、Ｔ2 は、それぞれ高圧値Ｐ1 、低圧値Ｐ2 に保持する時間幅であり、低圧値Ｐ2 に保持する時間幅Ｔ2 は、アフタグロー時間Ｔagに対し、Ｔ2 ≦Ｔagに定めるものとする。
【００１６】
圧力Ｐ＝Ｐ1 、Ｐ2 における真空槽内のプラズマ密度をそれぞれｎ1 、ｎ2 とし、そのときの活性種ＣＦi （ｉ＝１、２、３）の存在比率をそれぞれＲi1、Ｒi2（ｉ＝１、２、３）とすると、図１０のように圧力Ｐを変動させるときの平均プラズマ密度ｎo は、
ｎo ＝（ｎ1 Ｔ1 ＋ｎ2 Ｔ2 ）／（Ｔ1 ＋Ｔ2 ）              ……（１）
である。また、活性種ＣＦi の平均の存在比率Ｒioは、
Ｒio＝（Ｒi1・ｎ1 Ｔ1 ＋Ｒi2・ｎ2 Ｔ2 ）／（ｎ1 Ｔ1 ＋ｎ2 Ｔ2 ）    ……（２）
となる。したがって、活性種ＣＦi の平均密度ｎo Ｒioは、
ｎo Ｒio＝（Ｒi1・ｎ1 Ｔ1 ＋Ｒi2・ｎ2 Ｔ2 ）／（Ｔ1 ＋Ｔ2 ）        ……（３）
と表わすことができる。
【００１７】
したがって、Ｔ1 ＜Ｔ2 ≦Ｔagのような条件でプラズマを点火すると、圧力Ｐが一定の条件ではプラズマを維持できないような圧力Ｐ＝Ｐ2 における活性種ＣＦi の存在比率Ｒi2に近い平均の存在比率Ｒioを安定に実現することが可能である。
【００１８】
真空槽の排気弁の開度を変化させれば、真空槽内の反応ガスの圧力を最も簡単に変動させることができる。排気弁の出口側は、真空ポンプにより必要十分な真空度に引かれているからである。
【００１９】
真空槽の排気弁に同期して反応ガスの導入弁を開閉させると、真空槽内の圧力を一層速やかに変動させることができる。ただし、導入弁は、排気弁が閉じるときに開き、反応ガスを真空槽内に導入する一方、排気弁が開くときに閉じ、反応ガスの導入を停止させるものとする。
【００２０】
第２発明の構成によるときは、真空槽は、反応ガスの圧力を変動させることにより、反応ガスの電離によって生じるプラズマ中の活性種の存在比率を制御して、第１発明を容易に実施することができる。なお、真空槽内の反応ガスの圧力は、たとえば真空槽の排気弁の開度を変化させて変動させる。
【００２１】
孔明きのロータを備える排気弁は、ロータを回転させて開閉し、真空槽内の反応ガスの圧力を周期的に変動させることができる。なお、ロータは、円板状であってもよく、孔明きのステータと対向する円板状または有底円筒状であってもよい。排気弁は、ロータ側の孔がケーシングの入口側ポート、出口側ポート、またはステータ側の孔と対面するとき、開状態となり、それ以外のとき、閉状態となる。ただし、ロータの孔は、１個であってもよく、２以上のｎ個であってもよい。前者によれば、ロータの１回転当り１回の開閉動作ができ、後者によれば、ｎ回の開閉動作が可能である。また、ロータは、シールの便宜上、たとえば非磁性体のケーシングの外部から回転磁界によって回転駆動することが好ましい。
【００２２】
排気弁、真空ポンプの間にリザーバを設置すれば、排気弁を開くことにより、真空槽内の反応ガスの圧力を一層急峻に下降させることができる。ただし、リザーバ内は、真空ポンプにより、十分な真空度に引かれているものとする。なお、リザーバの容積は、真空槽の容積と同等、またはそれ以上であることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
物体の加工処理装置は、真空槽１１と、真空槽１１に反応ガスを供給する反応ガス供給源２０と、真空槽１１内の反応ガスを電離させてプラズマを生成させる電力供給源３０とを備えてなる（図１）。
【００２５】
真空槽１１には、前後のゲート弁１２ｂ、１２ｂを介して前室１２が付設されており、前室１２には、開閉弁１２ｃを介して真空ポンプ１２ｄが接続されている。また、真空槽１１には、排気弁１３、開閉弁１４を介して真空ポンプ１５が接続されている。さらに、真空槽１１には、真空ゲージ１６が装備され、真空槽１１内には、たとえばシリコンウェーハのような被処理物体Ｗを載せる試料台Ｗa が設置されている。前室１２は、前後のゲート弁１２ｂ、１２ｂを順に開閉することにより、真空槽１１内の真空を完全に破壊することなく、被処理物体Ｗを真空槽１１に搬出入することができる。
【００２６】
反応ガス供給源２０は、反応ガス用のボンベ２１にマスフローコントローラ２２、導入弁２３を接続して構成されている。導入弁２３の出口側は、コネクタ２４を介して真空槽１１内に開口している。
【００２７】
電力供給源３０は、高周波発振器３１に整合回路３２を付設して構成されている。整合回路３２の出力側は、気密の導入窓３３を介し、真空槽１１内に設置するアンテナ３４に接続されている。
【００２８】
排気弁１３は、孔１３ｂ1 を有する円板状のロータ１３ｂを非磁性体のケーシング１３ａ内に収納して構成されている（図２）。ロータ１３ｂは、軸１３ｂ2 を介し、ケーシング１３ａ内に回転自在に支持されており、ケーシング１３ａの外部からの回転磁界により高速に回転駆動することができる。ただし、軸１３ｂ2 は、図２に拘らず、ケーシング１３ａの内部に組み込まれ、ケーシング１３ａを貫通していないものとする。ロータ１３ｂの孔１３ｂ1 は、ロータ１３ｂの偏心位置に開口されており、ロータ１３ｂが回転すると、ケーシング１３ａに形成する入口ポート１３ａ1 、出口ポート１３ａ2 の間を周期的に開閉させることができる。すなわち、排気弁１３は、ロータ１３ｂを回転させ、開度を周期的に変化させることができる。
【００２９】
真空槽１１は、真空ポンプ１５を作動させて排気弁１３、開閉弁１４を開くことにより、所定の真空度に排気される。そこで、マスフローコントローラ２２、導入弁２３を介してボンベ２１からの反応ガスを真空槽１１に導入すると、反応ガスは、真空槽１１内の被処理物体Ｗの周囲に均一に拡散する。一方、高周波発振器３１を作動させると、整合回路３２、アンテナ３４を介して高周波電力が真空槽１１内の反応ガスに供給され、反応ガスを電離させてプラズマを生成することができる。このようにしてプラズマ化された反応ガスは、被処理物体Ｗの周囲にイオンシースを形成し、イオンシース中の電界によりイオンが被処理物体Ｗの表面に向けて垂直に加速され、被処理物体Ｗを加工処理することができる。なお、整合回路３２は、高周波発振器３１とアンテナ３４とのインピーダンス整合を図る。
【００３０】
一方、排気弁１３は、ロータ１３ｂを回転させることにより、周期的に開閉する（図３）。そこで、このときの真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐは、排気弁１３の開閉にほぼ同期して、高圧値Ｐ1 、低圧値Ｐ2 の間に周期的に変動し、高圧値Ｐ1 、低圧値Ｐ2 における各活性種の平均密度を実現することができる。すなわち、被処理物体Ｗの加工処理プロセスの進行中において、真空槽１１内のプラズマ中の活性種の存在比率Ｒi は、時間平均値として、前記（２）式により実質的にＲi ＝Ｒioに制御することができ、加工処理プロセスに最適な加工処理特性を実現することができる。
【００３１】
なお、図３の圧力Ｐの変動曲線において、高圧値Ｐ1 は、反応ガス供給源２０からの反応ガスの供給量によって設定され、低圧値Ｐ2 は、真空ポンプ１５による排気流量、反応ガス供給源２０による反応ガスの供給量などによって決まる圧力平衡点である。また、同図において、排気弁１３の開閉の周期Ｔは、ロータ１３ｂの回転数によって決まり、周期Ｔに対する開状態の時間幅Ｔ2 の割合は、孔１３ｂ1 の大きさによって決まる。そこで、ロータ１３ｂを十分に高速回転させ、時間幅Ｔ2 をプラズマのアフタグロー時間より十分小さくすると、圧力Ｐが高圧値Ｐ1 から低圧値Ｐ2 にパルス状に減少し、低圧値Ｐ2 をたとえばＰ2 ≪０．１Ｐa としても、真空槽１１内のプラズマが消滅することがない。ちなみに、アフタグロー時間数mS〜数１０mSとすると、時間幅Ｔ2 ＝０．１〜１００mS程度にしなければならず、ロータ１３ｂの回転周波数は、少なくとも１０Hz〜１０kHz が必要である。
【００３２】
【他の実施の形態】
排気弁１３の円板状のロータ１３ｂは、円板状のステータ１３ｃと同軸状に対向させることができる（図４）。ロータ１３ｂ、ステータ１３ｃには、それぞれｎ（ｎ≧１）個の同形同大の孔１３ｂ1 、１３ｂ1 …、１３ｃ1 、１３ｃ1 …が同径の円周上に等ピッチに形成されている。ロータ１３ｂは、軸１３ｂ2 により回転自在に支持され、ケーシング１３ａの外部からの回転磁界によって回転駆動される。一方、ステータ１３ｃは、軸１３ｂ2 に対して相対回転自在に固定支持されている。ステータ１３ｃを固定し、ロータ１３ｂを回転させると、排気弁１３は、ロータ１３ｂの１回転当りｎ回の開閉動作を実現することができる。
【００３３】
また、排気弁１３のロータ１３ｂ、ステータ１３ｃは、それぞれ浅い有底円筒状に形成してもよい（図５）。ロータ１３ｂ、ステータ１３ｃの側壁面には、それぞれｎ個の同形同大の孔１３ｂ1 、１３ｂ1 …、１３ｃ1 、１３ｃ1 …が等ピッチに形成されており、ロータ１３ｂは、ステータ１３ｃ内に同軸に収納されている。ステータ１３ｃを固定し、ロータ１３ｂを回転させると、ロータ１３ｂの１回転当りｎ回の開閉動作を実現することができる。
【００３４】
なお、図２においても、ロータ１３ｂには、ｎ個の孔１３ｂ1 、１３ｂ1 …を形成してもよい。
【００３５】
真空槽１１は、排気弁１３と真空ポンプ１５との間にリザーバ１７を設置することができる（図６）。リザーバ１７は、排気弁１３が閉じている間に、真空ポンプ１５を介して十分な真空度に引かれるため、排気弁１３が開になると、真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐを速やかに低圧値Ｐ2 に減少させることができる。
【００３６】
また、反応ガス供給源２０の導入弁２３は、排気弁１３に同期して開閉させることができる（図７）。排気弁１３が開くとき、導入弁２３を閉じて反応ガスの導入を阻止し、真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐを急激に低下させるとともに、排気弁１３が閉じるとき、導入弁２３を開いて反応ガスを導入し、圧力Ｐの上昇を速めることができる。また、圧力Ｐの低圧値Ｐ2 を小さくするとともに高圧値Ｐ1 を大きくし、圧力Ｐの変動幅（Ｐ1 −Ｐ2 ）を大きくすることができる。
【００３７】
以上の説明において、電力供給源３０は、真空槽１１内の反応ガスを電離させてプラズマを生成することができればよく、高周波電力に代えて、直流電力、交流低周波電力、マイクロ波電力のいずれを供給するものであってもよい。また、電力供給源３０は、被処理物体Ｗの加工処理プロセスの進行中において、反応ガスに供給する電力を一定に維持してもよく、それを変動させてもよい。さらに、電力供給源３０は、加工処理プロセスの進行中において、連続的または間欠的に作動させることができる。
【００３８】
一方、排気弁１３の開度を変化させて真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐを変動させるに際し、圧力Ｐは、被処理物体Ｗの加工処理プロセスの開始時期ｔ1 から終了時期ｔ2 までの加工処理プロセスの進行中において、少なくとも１回以上、任意の態様により変動させることができる（たとえば図８の曲線（１）〜（４））。ただし、同図の曲線（１）は、低圧値Ｐ2 から高圧値Ｐ1 までゆっくりと１回変動させ、曲線（２）は、急激に１回変動させている。また、曲線（３）は、低圧値Ｐ2 から高圧値Ｐ1 の間において圧力Ｐを周期的に変動させ、その変動周期をも変化させている。なお、曲線（４）は、図３にほぼ対応するように、圧力Ｐをパルス状に変動させている。また、図８の曲線（１）〜（４）において、高圧値Ｐ1 、低圧値Ｐ2 を入れ替えてもよい。
【００３９】
すなわち、真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐは、被処理物体Ｗの加工処理プロセスの進行中の各時点において、プラズマ中の活性種の存在比率と、それによる加工処理特性が最適となるように、適切に変動させればよい。なお、圧力Ｐを周期的に、しかもパルス状に変動させるとき、プラズマ中の活性種の実質的な存在比率は、前記（２）式に従うと考えられる（図３、図８の曲線（４））。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、この出願に係る第１発明によれば、加工処理プロセスの進行中に真空槽内の反応ガスの圧力を変動させ、プラズマ中の活性種の存在比率を制御することによって、適切な加工処理特性を容易に実現することができるから、各種の加工処理を容易に、しかも最適に行なうことができるという優れた効果がある。
【００４１】
第２発明によれば、真空槽、反応ガス供給源、電力供給源を備えることによって、真空槽は、加工処理プロセスの進行中に反応ガスの圧力を変動させ、第１発明を容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  全体構成模式説明図
【図２】  排気弁の模式構成図
【図３】  動作説明線図
【図４】  他の実施の形態を示す図２相当図
【図５】  他の実施の形態を示す要部斜視図
【図６】  他の実施の形態を示す要部構成模式図
【図７】  他の実施の形態を示す動作説明線図（１）
【図８】  他の実施の形態を示す動作説明線図（２）
【図９】  動作原理説明線図（１）
【図１０】  動作原理説明線図（２）
【符号の説明】
Ｗ…被処理物体
Ｐ…圧力
Ｒi …存在比率
１１…真空槽
１３…排気弁
１３ｂ…ロータ
１３ｂ1 …孔
１５…真空ポンプ
１７…リザーバ
２０…反応ガス供給源
２３…導入弁
３０…電力供給源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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