(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧又は略大気圧雰囲気下においてプラズマを発生するプラズマ発生源と、
前記プラズマを放出する第１の射出口と、
前記プラズマと混合されることでエッチャントを生成するエッチングガスを放出する第２の射出口と、
少なくとも被処理物のエッチングにより生じた副生成物を排気する排気手段と、
前記エッチャントによってエッチングが行われる前記被処理物の状態を前記エッチングしながら検知する状態検知手段と、を有し、
前記第２の射出口は、前記第１の射出口の周囲を囲うように配置され、
前記排気手段は、前記第２の射出口の周囲を囲うように配置され、
前記被処理物に対して直上又は略直上から前記プラズマ及び前記エッチングガスを放出し、且つ前記副生成物を直上又は略直上へと排気し
前記状態検知手段によって検知された情報に応じて前記エッチングしながらプラズマ発生源の動作が制御されることを特徴とする大気圧プラズマエッチング装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記状態検知手段が、光学モニタを用いて前記被処理物の状態を前記エッチングしながら検知することを特徴とする大気圧プラズマエッチング装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記状態検知手段が、前記副生成物の分析を行うことで前記被処理物の状態を前記エッチングしながら検知することを特徴とする大気圧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、大気圧プラズマエッチング装置に関する。特に、半導体薄膜を含む積層のエッチングを行う大気圧プラズマエッチング装置に関する。また、当該大気圧プラズマエッチング装置を用いた半導体装置の作製方法に関する。例えば、絶縁表面上に単結晶シリコン層が設けられたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バルク状のシリコンウエハに代わり、絶縁表面に薄い単結晶半導体層が存在するＳＯＩ基板を使った集積回路が開発されている。ＳＯＩ基板を使うことで、トランジスタのドレインと基板間における寄生容量が低減されるため、ＳＯＩ基板は半導体集積回路の性能を向上させるものとして注目されている。
【０００３】
ＳＯＩ基板を製造する方法の１つとして、スマートカット（登録商標）法が知られている。スマートカット法によるＳＯＩ基板の作製方法の概要を以下に説明する。まず、シリコンウエハにイオン注入法を用いて水素イオンを注入することによって、表面から所定の深さに微小気泡層を形成する。次に、酸化シリコン膜を介して、水素イオンを注入したシリコンウエハを別のシリコンウエハに接合させる。その後、熱処理を行うことにより、微小気泡層が劈開面となり、水素イオンが注入されたシリコンウエハの一部が微小気泡層を境に薄膜状に分離し、接合させた別のシリコンウエハ上に単結晶シリコン膜を形成することができる。ここで、スマートカット法は水素イオン注入剥離法と呼ぶこともある。
【０００４】
また、このようなスマートカット法を用いて単結晶シリコン層をガラスからなるベース基板上に形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ガラス基板はシリコンウエハよりも大面積化が容易であり、且つ、安価であるため、主に、液晶表示装置等の製造の際に用いられている。このようなガラス基板をベース基板として用いることにより、大面積で安価なＳＯＩ基板を作製することが可能となる。ただし、上記方法によって作製されるＳＯＩ基板においては、単結晶シリコン層がガラス基板から剥がれる（ピーリング）という問題が生じやすい。これは、単結晶シリコン層をガラス基板上に形成する工程又は単結晶シリコン層を用いた半導体装置の製造工程中において、単結晶シリコン層の端部がガラス基板から剥がれることが一因となっている。
【０００５】
これに対して、単結晶シリコン層をガラス基板上に形成後に、当該単結晶シリコン層の端部を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。具体的には、特許文献２においては、ガラス基板上に形成された単結晶シリコン層の端部をフォトリソグラフィ法を用いて除去する構成が開示されている。ただし、当該フォトリソグラフィ工程に必要となるフォトレジストは、高価である。したがって、特許文献２で開示される方法によって端部を除去する場合、当該ＳＯＩ基板又は当該ＳＯＩ基板を用いて作製される半導体装置の製造コストが増大するという問題が生じる。
【０００６】
そのため、製造コストという観点からは、フォトリソグラフィ法を用いずに当該単結晶シリコン層の端部の除去することが好ましい。例えば、特許文献３で開示される大気圧（常圧）プラズマエッチング装置を用いて、当該単結晶シリコン層の端部の除去を行うことが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２５２２４４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７７６６２号公報
【特許文献３】特開２００４−２３５６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３で開示される大気圧プラズマエッチング装置を用いて当該単結晶シリコン層の端部を除去する場合は、フォトリソグラフィ法を用いて当該単結晶シリコン層の端部を除去する場合と比較して、当該端部を精度良く除去することが困難である。例えば、大型のガラス基板上に複数の単結晶シリコン層が設けられる場合、当該ガラス基板のうねりが顕在化し、大気圧プラズマエッチング装置と単結晶シリコン層のワーキングディスタンスを一定に保つことが困難である。また、特許文献３で開示される大気圧プラズマエッチング装置を用いて当該単結晶シリコン層の端部を除去する場合は、エッチングの正確な制御が困難である。すなわち、大気圧プラズマエッチング装置を用いて当該単結晶シリコン層の端部を除去する場合には、アンダーエッチングによって当該除去を十分に行うことができない、又はオーバーエッチングによってガラス基板がエッチングされ、コンタミネーションを誘発するといった問題が生じやすい。
【０００９】
上述した問題に鑑み、本発明の一態様は、被処理物のエッチングを良好に行うことが可能な大気圧プラズマエッチング装置を提供することを目的の一とする。また、当該大気圧プラズマエッチング装置を用いることで、ＳＯＩ基板の製造コストの低減及びピーリングの抑制の両立を図ることを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的は、当該大気圧プラズマエッチング装置に被処理物の状態を検知する状態検知手段を設け、当該状態検知手段によって検知された情報に応じて大気圧プラズマエッチング装置の動作を制御することで達成することが可能である。なお、当該手段としては、光学モニタなどを適用することが可能である。
【００１１】
すなわち、本発明の一態様は、大気圧又は略大気圧雰囲気下においてプラズマを発生するプラズマ発生源と、プラズマを放出する第１の射出口と、プラズマと混合されることでエッチャントを生成するエッチングガスを放出する第２の射出口と、エッチャントによってエッチングが行われる被処理物の状態を検知する状態検知手段と、を有し、状態検知手段によって検知された情報に応じて動作が制御されることを特徴とする大気圧プラズマエッチング装置である。
【００１２】
また、加速されたイオンを単結晶半導体基板に照射することによって、単結晶半導体基板中に脆化領域を形成し、単結晶半導体基板とベース基板とを、絶縁層を介して貼り合わせ、脆化領域において単結晶半導体基板を分離して、ベース基板上に絶縁層を介して単結晶半導体層を形成し、単結晶半導体層の状態を検知しながら、大気圧又は略大気圧雰囲気下において発生されたプラズマ及びエッチングガスを混合することで生成されるエッチャントによって単結晶半導体層の端部を除去することを特徴とするＳＯＩ基板の作製方法も本発明の一態様である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一態様の大気圧プラズマエッチング装置においては、被処理物の状態を検知しながらエッチングを行うことが可能である。そのため、被処理物のエッチングを良好に行うことが可能である。また、当該大気圧プラズマエッチング装置を用いてＳＯＩ基板を作製することで、当該ＳＯＩ基板の製造コストの低減及びピーリングの抑制の両立を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）大気圧プラズマエッチング装置の構成例を示す図、（Ｂ）大気圧プラズマエッチング装置の動作例を示すフローチャート。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）大気圧プラズマエッチング装置の構成例を示す図。
【図３】（Ａ）〜（Ｅ）ＳＯＩ基板の作製方法の一例を説明する断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００１６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る大気圧プラズマエッチング装置について図１を参照して説明する。
【００１７】
図１（Ａ）は、本実施の形態の大気圧プラズマエッチング装置の構成例を示す図である。図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置は、本体１０と、本体１０に付属する光学モニタ２０とを有する。さらに、本体１０は、大気圧又は略大気圧雰囲気下においてプラズマを発生するプラズマ発生源１１と、プラズマ発生源１１で発生したプラズマを外部へ放出する射出口１２と、エッチングガスを放出する射出口１３とを有する。なお、当該プラズマとしては、アルゴンプラズマなどを適用することが可能である。また、当該エッチングガスとしては、エッチングが行われる被処理物３０に応じて適宜選択することが可能である。なお、当該エッチングガスは、外部から本体１０へと供給される構成、又は本体１０内に設けられたタンクにおいて貯蔵する構成とすることが可能である。
【００１８】
図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置は、射出口１２から放出されるプラズマと、射出口１３から放出されるエッチングガスとを外部において混合することでエッチャントを生成する。また、図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置においては、光学モニタ２０が当該エッチャントによってエッチングが行われる被処理物３０を透過する光又は被処理物３０から反射される光の情報を検出する。なお、当該情報は、光学モニタ２０から本体１０へと入力される。本体１０は、当該情報に基づいてプラズマ発生源１１の動作等を制御する。これにより、図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置は、被処理物３０の状態を検知しながら被処理物３０のエッチングを行うことが可能である。
【００１９】
図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置の具体的な動作例を図１（Ｂ）に示すフローチャートを参照して説明する。図１（Ｂ）に示すフローチャートは、被処理物３０をエッチングする際の動作例を示すフローチャートである。図１（Ｂ）に示すように図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置は、被処理物３０が存在するか否かを光学モニタ２０を用いて判別することが可能であり、この結果に応じてエッチャントの生成を続行するか（エッチングの続行）否か（エッチングの終了）を選択することが可能である。したがって、図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置においては、アンダーエッチング又はオーバーエッチングの発生を抑制することが可能である。
【００２０】
また、図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置においては、プラズマを放出する射出口１２を囲んでエッチングガスを放出する射出口１３が設けられている。これにより、当該エッチャントの生成領域が広がることなく、所望の領域のみをエッチングすることが可能である。
【００２１】
なお、図１（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置においては、光学モニタ２０が本体１０に付属する構成について示したが、本実施の形態の大気圧プラズマエッチング装置においては光学モニタ２０を本体１０に内蔵することも可能である。
【００２２】
また、図１（Ｂ）に示す大気圧プラズマエッチング装置の動作例を示すフローチャートにおいては、被処理物３０が存在するか否かを光学モニタ２０を用いて判別しながら被処理物３０をエッチングする際の動作例について示したが、本実施の形態の大気圧プラズマエッチング装置においては被処理物３０の厚さを光学モニタ２０を用いて判別し、所望の厚さになった段階でエッチングを終了するという動作を行うことも可能である。
【００２３】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１に示した大気圧プラズマエッチング装置とは異なる構成を有する大気圧プラズマエッチング装置について図２（Ａ）を参照して説明する。
【００２４】
図２（Ａ）は、本実施の形態の大気圧プラズマエッチング装置の構成例を示す図である。図２（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置は、図１（Ａ）に示した大気圧プラズマエッチング装置に吸気口１４が付加されている。図２（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置は、吸気口１４においては、被処理物３０のエッチングにより生じた副生成物などを排気（本体１０内に吸気）することが可能である。
【００２５】
なお、図２（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置が有する吸気口１４以外の構成要素は、図１（Ａ）に示した大気圧プラズマエッチング装置と同じである。そのため、それらについての説明は、実施の形態１の説明を援用することとする。
【００２６】
図２（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置においては、エッチングガスを放出する射出口１３を囲んで吸気口１４が設けられている。また、図２（Ａ）に示す大気圧プラズマエッチング装置においては、被処理物３０に対して直上又は略直上からプラズマ及びエッチングガスを放出し、且つエッチングにより生じた副生成物などを直上又は略直上へと排気する。これにより、被処理物３０のエッチングにより生じた副生成物などの拡散を抑制することが可能である。なお、当該副生成物を排気する手段（排気手段）は、図２（Ａ）を参照して説明した上述の手段に限定されず、当該副生成物を排気するという目的が達成される手段であればどのような手段を用いてもよい。
【００２７】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した大気圧プラズマエッチング装置とは異なる構成を有する大気圧プラズマエッチング装置について図２（Ｂ）を参照して説明する。
【００２８】
図２（Ｂ）は、本実施の形態の大気圧プラズマエッチング装置の構成例を示す図である。図２（Ｂ）に示す大気圧プラズマエッチング装置は、図２（Ａ）に示した大気圧プラズマエッチング装置が有する光学モニタ２０が成分分析手段１５に置換されている。図２（Ｂ）に示す大気圧プラズマエッチング装置は、吸気口１４を介して本体１０内に吸気された成分を成分分析手段１５において分析することが可能である。
【００２９】
なお、図２（Ｂ）に示す大気圧プラズマエッチング装置が有する成分分析手段１５以外の構成要素は、図２（Ａ）に示した大気圧プラズマエッチング装置と同じである。そのため、それらについての説明は、実施の形態１及び２の説明を援用することとする。
【００３０】
図２（Ｂ）に示す大気圧プラズマエッチング装置においては、成分分析手段１５において吸気口１４によって排気された成分を分析することが可能である。これにより、当該成分に被処理物３０のエッチングにより生じた副生成物が含まれなくなった段階においてエッチングを終了するなど、図１（Ｂ）に示した動作と同様の動作を行うことが可能である。
【００３１】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１乃至３のいずれか一に示した大気圧プラズマエッチング装置を用いたＳＯＩ基板の作製方法例について図３を参照して説明する。
【００３２】
まず、単結晶半導体基板１００とベース基板１２０とを準備する（図３（Ａ）、図３（Ｂ）参照）。
【００３３】
単結晶半導体基板１００として、例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、単結晶シリコンゲルマニウム基板等の第１４族元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。また、ガリウムヒ素からなる基板やインジウムリンからなる基板等の化合物半導体基板も用いることができる。市販のシリコン基板としては、直径５インチ（約１２５ｍｍ）、直径６インチ（約１５０ｍｍ）、直径８インチ（約２００ｍｍ）、直径１２インチ（約３００ｍｍ）、直径１６インチ（約４００ｍｍ）サイズの円形のものが代表的である。なお、単結晶半導体基板１００の形状は円形に限られず、例えば、矩形状等に加工して用いることも可能である。
【００３４】
ベース基板１２０として、絶縁体でなる基板を用いることができる。具体的には、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス等の電子工業用に使われる各種ガラス基板、石英基板、セラミック基板、サファイア基板が挙げられる。他にも、ベース基板１２０として単結晶シリコン基板等の単結晶半導体基板を用いてもよい。本実施の形態では、ガラス基板を用いる場合について説明する。ベース基板１２０として大面積化が可能で安価なガラス基板に複数の単結晶半導体基板を貼り合わせることで、低コスト化を図ることができる。
【００３５】
次に、単結晶半導体基板１００の表面から所定の深さに、結晶構造が損傷された脆化領域１０４を形成する。その後、絶縁層１０２を介して単結晶半導体基板１００とベース基板１２０とを貼り合わせる（図３（Ｃ）参照）。
【００３６】
脆化領域１０４は、加速された水素等のイオンを単結晶半導体基板１００に照射することにより形成することができる。
【００３７】
絶縁層１０２は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の絶縁層を単層で、又は積層させて形成することができる。これらの膜は、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等を用いて形成することができる。なお、絶縁層１０２として、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜などの酸化膜系の膜を適用することで単結晶半導体基板１００とベース基板１２０の接合強度を向上させることが可能であり、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などの窒化膜系の膜を適用することでベース基板１２０に含まれる不純物が単結晶半導体基板１００に侵入することを抑制することが可能である。
【００３８】
本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、好ましくは、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）及び水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が５０〜７０原子％、窒素が０．５〜１５原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、好ましくは、ＲＢＳ及びＨＦＳを用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が５〜３０原子％、窒素が２０〜５５原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が１０〜３０原子％の範囲で含まれるものをいう。ただし、酸化窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを構成する原子の合計を１００原子％としたとき、窒素、酸素、シリコン及び水素の含有比率が上記の範囲内に含まれるものとする。
【００３９】
次に、熱処理を行い脆化領域１０４において単結晶半導体基板１００を分離することにより、ベース基板１２０上に絶縁層１０２を介して単結晶半導体層１２４を設ける（図３（Ｄ）参照）。
【００４０】
熱処理による温度上昇によって、脆化領域１０４に形成されている微小な孔には、イオンの照射によって添加された元素が析出し、内部の圧力が上昇する。圧力の上昇により、脆化領域１０４の微小な孔に体積変化が起こり、脆化領域１０４に亀裂が生じて、脆化領域１０４に沿って単結晶半導体基板１００が分離する。絶縁層１０２はベース基板１２０に接合しているので、ベース基板１２０上には単結晶半導体基板１００から分離された単結晶半導体層１２４が形成される。また、ここでの熱処理の温度は、ベース基板１２０の歪み点を越えない温度とする。
【００４１】
この熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉等の加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置等を用いることができる。例えば、ＲＴＡ装置を用いる場合、加熱温度５５０℃以上７３０℃以下、処理時間０．５分以上６０分以下で行うことができる。
【００４２】
次に、ピーリングを抑制するために単結晶半導体層１２４の端部及び絶縁層１０２の端部を除去する。この除去工程は、実施の形態１乃至３のいずれか一に示した大気圧プラズマエッチング装置を用いて行う。すなわち、単結晶半導体層１２４の端部及び絶縁層１０２の端部の状態を検知しながら、大気圧又は略大気圧雰囲気下において発生されたプラズマ及びエッチングガスを混合することで生成されるエッチャントによって単結晶半導体層１２４の端部及び絶縁層１０２の端部を除去する。これにより、端面（エッジ部分）が平滑な単結晶半導体層１２６及び絶縁層１２８を得る（図３（Ｅ）参照）。
【００４３】
なお、図３（Ｅ）においては、単結晶半導体層１２４及び絶縁層１０２の端部を除去する構成について示したが、実施の形態１乃至３のいずれか一に示した大気圧プラズマエッチング装置を用いることで、それらの端部の形状の自由度が向上する。具体的には、実施の形態１乃至３のいずれか一に示した大気圧プラズマエッチング装置を用いることで、絶縁層１０２を残存させ且つ単結晶半導体層１２４の端部のみを除去することなどが可能となる。
【００４４】
また、製品管理のために単結晶半導体層１２４にマーク（識別番号、ウェーハ識別番号、ウェーハ番号、ＩＤナンバーなどともいわれる）が印字されている場合は、単結晶半導体層１２４の端部を除去するためのエッチングが、単結晶半導体層のマークが付された領域の除去を兼ねていてもよい。
【００４５】
以上の工程により、ベース基板１２０上に絶縁層１２８を介して単結晶半導体層１２６が設けられたＳＯＩ基板を作製することができる。
【００４６】
本実施の形態で示すＳＯＩ基板の作製方法においては、単結晶半導体層１２４の端部及び絶縁層１０２の端部の除去工程が実施の形態１乃至３のいずれか一に示した大気圧プラズマエッチング装置を用いて行われる。これにより、ＳＯＩ基板の製造コストの低減及びピーリングの抑制の両立を図ること可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０      本体
１１      プラズマ発生源
１２      射出口
１３      射出口
１４      吸気口
１５      成分分析手段
２０      光学モニタ
３０      被処理物
１００    単結晶半導体基板
１０２    絶縁層
１０４    脆化領域
１２０    ベース基板
１２４    単結晶半導体層
１２６    単結晶半導体層
１２８    絶縁層
【図１】
0005888945.tif 000002
【図２】
0005888945.tif 000003
【図３】
0005888945.tif 000004