(57)【要約】【課題】プラズマエッチングにおいて、ステップ間で連続放電を行った場合の、スループット低下，再現性低下，プラズマ放電不安定の問題を解決する。【解決手段】ガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換える場合に、事前にバルブ１１４を開き、ＭＦＣ１１２の流量を次ステップで使用する流量に設定して、ガス供給源１１１を排気手段５に流しておいて、バルブ１１３を開くと同時にバルブ１１４を閉じることでガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換えるガス切換方法において、バルブ１１３，バルブ１１４およびＭＦＣ１１２で囲まれた部分のガス配管１１５の容積Ｖ１を、ガス貯め１０や処理ガスライン８を含むシャワープレートからバルブ１１３までの間の容積Ｖｏに比べて十分小さくする。これによって、圧力のアンダーシュートがなくなり放電不安定が発生しなくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧処理室と、該減圧処理室にガスを導入するためのガス配管および該ガス配管の内径より小さな内径の穴を複数有するガス導入部と、前記ガス配管およびガス導入部を介して複数のガスの混合ガスを前記減圧処理室に供給することのできるガス供給システムと、前記減圧処理室に接続された第１排気装置とを具備し、前記混合ガスからプラズマを生成して試料をエッチング処理するプラズマエッチング装置において、
前記ガス供給システムは、各ガスは各々マスフローコントローラを介して前記減圧処理室に供給される構造であって、前記各マスフローコントローラには、前記減圧処理室との間に各々設けられた第１バルブと、前記各マスフローコントローラと前記各第１バルブとの間の部分から分岐して各々第２排気装置に接続する各ガスパイパス管と、該各ガスパイパス管に設けられた第２バルブとを備え、前記各マスフローコントローラと前記各第１のバルブおよび前記各第２のバルブが集積化ガスシステムによって直結される構成を有することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマエッチング装置を用いて複数のガス条件を順次切換えて試料をエッチングするプラズマエッチング方法において、
現在のエッチング条件では使用せず、かつ、次のエッチング条件で使用するガスラインについて、あらかじめ該ガスラインの第２バルブを開き、前記マスフローコントローラの流量を０以外の値に設定するとともに、条件切換えのタイミングで、前記ガスラインの第１バルブを開き、かつ、前記ガスラインの第２バルブを閉じることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマエッチング装置を用いて複数のガス条件を順次切換えて試料をエッチングするプラズマエッチング方法において、
現在のエッチング条件では使用せず、かつ、次のエッチング条件で使用するガスラインについて、あらかじめ該ガスラインの第２バルブを開き、前記マスフローコントローラの流量を次の条件で使用する流量値に設定するとともに、条件切換えのタイミングで、前記ガスラインの第１バルブを開き、かつ、前記ガスラインの第２バルブを閉じることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハなど半導体基板の処理を行うプラズマエッチング装置およびその装置を用いたプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスのゲート加工に用いられるプラズマエッチングの推移について説明する。１９９０年代前半までは、ゲート電極には単層のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜が使われていた。このため、単一のエッチング条件で加工する方法が主流であった。１９９０年代後半になって、異種材料の積層構造のゲートが導入されると、単一条件による加工は難しくなり、複数の条件をいくつかのステップに分けて処理する方法が用いられるようになった。この場合、条件切換え直後にガス流量やガス圧力などが十数秒間変動する。変動中の不確定な条件でゲートがエッチングされて再現性が低下することを避けるために、ステップ間でプラズマ放電を中断する方法（放電中断）がとられるようになってきた。
【０００３】
しかしながら、この方法には二つの問題があった。一つは、スループットの低下である。条件切換えには十数秒を要するため、条件切換えの回数が増えると処理時間が増大する問題がある。もう一つは製品欠陥の増加である。通常、エッチングによって処理室内部では、大量のパーティクルが発生する。このパーティクルは、プラズマ放電中にはプラズマとウエーハの界面に存在するイオンシースと呼ばれる部分にトラップされていて、プラズマ放電を中断した瞬間にウエーハに付着する特徴がある。以前の単一条件の処理の場合、パーティクルは、エッチング中はシースにトラップされていて、エッチングが終了してプラズマ放電が中断された瞬間にウエーハに付着していた。付着したパーティクルは、洗浄により除去され、製品欠陥はほとんど発生しなかった。一方、放電中断を用いた処理の場合、放電中断によってエッチング途中でパーティクルがウエーハに付着する。この後、エッチングを再開した際には、付着したパーティクルの直下がエッチングされずにエッチ残りを発生する。このため、洗浄でパーティクルが除去されても、エッチングされていない部分が残り、製品欠陥を発生させる。
【０００４】
この製品欠陥低減のため、一部の半導体デバイスメーカでは、ステップ間で放電中断しない方法（連続放電）が検討されはじめている。連続放電の多くは、ステップ間に中間ステップを設け、その間を反応性の少ない希ガス等で希釈することによってガス切換え中のエッチングを抑制する方法を用いている。しかしながら、この方法を用いても、ガスの切換え時間は短縮されないため、スループットの低下は避けられない。
【０００５】
スループットを向上させるためには、中間ステップを用いずに連続放電する必要がある。この場合、ガス流量やガス圧力を再現性よく高速かつスムーズに切換えなければならない。しかしながら、通常エッチングで用いられるガス切換方式では、ガス切換えの応答性が悪いという問題があった。
【０００６】
従来の装置のガスラインの具体的な構成を図２５に示す。図２５の構成で、ガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換える場合のシーケンスを例として説明する。ガス供給源１０１のステップでは、ガス供給源１０１のガスラインに取り付けられたＭＦＣ１０２の流量が所望の値に設定されており、ＭＦＣ１０２と減圧処理室との間をつなぐ処理ガスライン８に設置されたバルブ１０３が開いている状態である。ガス切換えの信号が入力されたと同時に、ＭＦＣ１０２の流量を０sccmにして、バルブ１０３を閉じ、バルブ１１３を開くと同時にガス供給源１１１のＭＦＣ１１２の流量を所望の値に設定する。この時のガス供給源１０１とガス供給源１１１のガス流量の応答および圧力の応答をそれぞれ図２６に示す。バルブ応答性は極めてよいため、ステップ切換えの直後にガス供給源１０１の流量は０sccmになるのに対して、ＭＦＣの流量応答性は悪いため、ガス供給源１１１は流れ始めが約１秒遅れる。このため、ガス切換直後の数秒間、ガスが流れない状態になり、ガス切換直後の圧力にアンダーシュートが発生する。
【０００７】
また、ＭＦＣは０sccm設定の場合でも微量のガスが流れるため、バルブ１１３を閉じた状態が長い時間続くと、ＭＦＣ１１２とバルブ１１３の間にガス供給源１１１が貯まる。このときの流量および圧力の応答を図２７に示す。バルブ１１３を開いた瞬間に大量のガス供給源１１１が流れ、ガス供給源１１１の流量がオーバーシュートする。この時、処理室圧力もオーバーシュートし、定常に達するまでに数秒を要する。このように、エッチングの再現性自身も低下する問題がある。また、実際のエッチング装置では、微小な穴からガスを噴出するシャワープレート構造やノズル構造がガス供給機構として採用されているため、さらに複雑な応答となる。
【０００８】
ガス流量を高速に切換えるための要素技術としては、例えば、主にＭＯ−ＣＶＤで用いられる高速ガス流量制御方法がある。この高速ガス流量制御方法のガスラインの具体的な構成を図２８に示す。図２８においてガス供給源４からＭＦＣ３，減圧処理室６，排気手段７をつなぐ処理ガスライン８とは、別にＭＦＣ３と排気ポンプ５をつなぐ排ガスライン９を設けて、それぞれのガスラインにバルブ１およびバルブ２を設置する。ガス供給時には、バルブ１を閉じたまま、バルブ２を開き、ＭＦＣ３の流量Ｑｏを処理時の流量Ｑと同じ値に設定して、ガスを排気ポンプ５に流す。流量Ｑｏが安定した時点でバルブ２を閉じると同時にバルブ１を開けることで、高速なガス供給を行う方法である。また、処理ガスライン８の中の圧力Ｐｏに比べ、排ガスライン９の中の圧力Ｐの圧力が高いことによって発生するガス供給開始時のオーバーシュートを回避するため、排ガスライン９に流す流量Ｑｏを処理時の流量Ｑより小さな値にする方法も開示されている(例えば、特許文献１)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１９８５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
連続放電するためには、エッチング特有のガス導入機構であるシャワープレート構造やノズル構造においてガス流量やガス圧力を再現性よく高速かつスムーズに切換える必要がある。特に近年のゲートエッチングでは各ステップの処理時間が短くなっており、１ｓ以内の高速なガス切換えが求められる。しかるに、前述の特許文献１の高速ガス流量制御方式では、シャワープレート構造やノズル構造の影響が考慮されていない。そこで、本発明者らは、本発明に至るに先立って、特許文献１のガス流量制御方式をシャワープレート構造に応用して、ガス切換時の応答を計測した。
【００１１】
応答計測時の具体的な構成を図２９に示す。図２９においてＭＦＣ１０２およびＭＦＣ１１２から処理ガスライン８，ガス貯め１０，シャワープレートのガス導入用穴１１を経て処理室に至る処理ガスライン８とは別に、ＭＦＣ１０２およびＭＦＣ１１２と排気ポンプ５をつなぐ排ガスライン９を設けて、それぞれのガスラインにバルブ１０３，１０４，１１３，１１４を設置している。ガス供給源１０１のステップでは、ガス供給源１０１の排ガスラインのバルブ１０４が閉じ、処理ガスライン８に取り付けられたバルブ１０３が開いており、ＭＦＣ１０２から所望の流量のガスが減圧処理室に供給されている状態である。また、この時、次ステップで使用するガス供給源１１１に関しては、バルブ１１３が閉じ、バルブ１１４が開いており、ＭＦＣ１１２から次ステップで使用する流量のガスが排ガスライン９に流されている。ガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換える際には、バルブ１１３を開くと同時に、バルブ１１４およびバルブ１０３が閉じられる。この際の処理室の圧力変動をモニタした結果、圧力がガス切換直後にアンダーシュートすることが分かった。さらに、アンダーシュートの大きさには再現性がなく、大きい場合と小さい場合があることがわかった。
【００１２】
また、プラズマ発光分析を用いて、ガス切換直後の処理室内のガスの組成を調べたところ、ガス供給源１１１の割合の増加は非常に緩やかで、ガス供給源１０１からガス供給源１１１に完全に入れ換わるのに１０ｓ程度要していることがわかった。すなわち、（１）アンダーシュートの問題と（２）低応答性の問題があることがわかった。この構成を用いて連続放電した結果、（１）切換え直後の圧力が急激に低下することによって、プラズマが消滅してパーティクルがウエーハに付着する問題や（２）短時間ステップでガスが完全に切換らず安定なエッチング特性が得られない等の問題があることがわかった。
【００１３】
本発明の目的は、シャワープレート構造やノズル構造においてガス流量やガス圧力を再現性よく高速かつスムーズに切換えることができるプラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、圧力のアンダーシュートについて調べ、その原因がガスの逆流によるものであること、およびガスの逆流に２種類のメカニズムがあることがわかった。図２９を用いて一つ目のメカニズムを説明する。シャワープレート構造やノズル構造では、減圧処理室６にガスを導入するための穴１１の内径が、処理ガスライン８の内径よりも小さく、ガスが流れにくくなっている。このため処理ガスライン８の圧力Ｐｏは排ガスライン９の圧力Ｐ１よりも著しく高くなっている。バルブ１１３を開け、バルブ１１４を閉じた瞬間は、バルブ１１３，バルブ１１４およびＭＦＣ１１２で囲まれた部分のガス配管１１５の圧力はＰ１で、処理ガスライン８の圧力Ｐｏより低いため、処理ガスライン８からガス配管１１５へガスが逆流する。このメカニズムによる逆流現象は、再現性よく発生する。
【００１５】
二つ目のメカニズムは次のようにして発生する。前述の特許文献１のようにバルブ１１３とバルブ１１４を同時に開閉した場合、バルブ１１３が完全に閉じておらず、バルブ１１４が少し開いている瞬間が存在する。この瞬間には、処理ガスライン８と排ガスライン９がつながっているため、圧力の高い処理ガスライン８から排ガスライン９へガスが逆流する。このメカニズムによる逆流は、ガス切換えの瞬間のバルブ１１３およびバルブ１１４の開閉具合のバラツキに影響されるため、逆流の大きさにはバラツキが生じる。
【００１６】
アンダーシュートを防ぐための方法の第１は図１に示すように排ガスライン９に可変コンダクタンスバルブ１００を設置して、排ガスライン９の圧力Ｐ１を処理ガスライン８の圧力Ｐｏの１倍から１.２倍の大きさに調整する方法である。これによって、処理ガスライン８から排ガスライン９へのガスの逆流は完全に防止できる。
【００１７】
アンダーシュートを防ぐための第２の方法はガス配管１１５の部分の容積Ｖ１をバルブ１１３からガス貯め１０に至るまでの処理ガスライン８の容積とガス貯め１１の容積の総和Ｖｏに比べ十分小さくすることである。これにより、Ｐ１とＰｏの間に多少の圧力差があった場合でも、メカニズム１によるアンダーシュートを低減できる。
【００１８】
アンダーシュートを防ぐための第３の方法は、バルブ１１３とバルブ１１４を同時に開閉するのではなく、バルブ１１４を閉じてから、バルブ１１３を開くことである。これによって、バルブ１１３とバルブ１１４が同時に開いている瞬間がなくなり、メカニズム２によるガスの逆流が防止できる。
【００１９】
また、排気ポンプ５は、排気手段７の背圧を排気するポンプと兼用してもよい。
【００２０】
次に、発明者らは低応答性の原因について調べ、最も重要な要因を二つ見出した。一つはシャワープレートのガス導入用穴１１の内径や数が小さく、ガスが流れにくくなっていることである。もう一つは、ガス貯め１０や処理ガスライン８を含むシャワープレートからバルブ１１３までの間の容積Ｖｏが大きいことである。このため、容積Ｖｏの空間中でガスがよどみバルブ切換後もガス組成がなかなか変化しないことがわかった。我々の研究の結果、ガス導入用穴１１の内径が処理ガスラインの配管の内径より小さい場合は、ガスの応答性は数式１に依存することがわかった。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
ここで、ｔはガス導入用穴１１の深さ、ｄは穴径、Ｎは個数、Ｑはガス流量（Ｐａ・ｍ3／ｓ）である。この値を大きくすることで、高速の応答が実現できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明を多段ステップのプラズマエッチングに適用すれば、中間ステップ無しで、連続放電で処理できるため、スループットが向上する。また、ステップ切換え時の圧力変動が小さく放電の不安定が生じないため、パーティクルに起因する製品欠陥を大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のエッチング装置の説明図。
【図２】実施例１のエッチング装置の説明図。
【図３】実施例１のガス供給ユニットの構成の説明図。
【図４】ガス切換直後のガス供給源１１１の流量の時間変化の説明図。
【図５】Ｕとガス応答性の関係の説明図。
【図６】従来法の場合のガス切換え直後の処理室圧力の時間変化の説明図。
【図７】処理室圧力変動ΔＰとガス配管１１５の内圧Ｐ１の関係の説明図。
【図８】改善前のバルブ切換シーケンスの説明図。
【図９】改善後のバルブ切換シーケンスの説明図。
【図１０】改善前のエッチング条件を説明する図表。
【図１１】条件改善前の処理中の処理室圧力の時間変化の説明図。
【図１２】改善後のエッチング条件を説明する図表。
【図１３】実施例３のエッチング装置の説明図。
【図１４】実施例３のガス導入機構（シャワープレート構造）の説明図。
【図１５】実施例３のエッチング条件を説明する図表。
【図１６】実施例３で用いた被エッチング試料の断面構造（放電中断の場合）の説明図。
【図１７】加工後の被エッチング試料の断面構造（改善前）の説明図。
【図１８】放電中断の場合のマイクロ波投入電力および減圧処理室圧力の時間変化の説明図。
【図１９】連続放電の場合のマイクロ波投入電力および減圧処理室圧力の時間変化の説明図（改善前）。
【図２０】ステップ３の条件の場合の減圧処理室圧力とシリコンおよびシリコン酸化膜のエッチング速度の関係の説明図。
【図２１】改善後のエッチング条件を説明する図表。
【図２２】連続放電の場合の減圧処理室圧力の時間変化（改善後）の説明図。
【図２３】実施例４のエッチング装置の説明図。
【図２４】実施例５，６，７のエッチング装置の説明図。
【図２５】通常（従来）のガス供給ユニットの構成の説明図。
【図２６】通常（従来）のガス供給ユニットのガス切換直後のガス流量および圧力の時間変化の説明図（例）。
【図２７】通常（従来）のガス供給ユニットのガス切換直後のガス流量および圧力の時間変化の説明図（例）。
【図２８】特許文献１のガス供給ユニットの構成の説明図。
【図２９】特許文献１のガス供給ユニットを適用したエッチング装置の説明図（例）。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔実施例１〕
本発明の一実施例の装置構成を図２に示す。図２の装置において、エッチングガスをガス供給ユニット１６から処理ガスライン８，ガス導入機構１９を介して、減圧処理室２０に供給するとともに、アルミナ製の誘電体窓２６の外部に設置されたアンテナコイル１３およびアンテナコイル１２に放電用ＲＦ電源１４から例えば１３.５６ＭＨｚのＲＦ電力を印加して、エッチングガスから誘導結合プラズマ１７を発生させる。このアンテナコイル１２および１３と放電用ＲＦ電源１４との間には電力分配器１５があり、アンテナコイル１２および１３の供給電力の比を調整することによって、プラズマの生成分布を調整できる構造になっている。このプラズマ１７を試料台１８に載置された試料２１に照射して、エッチング処理を行う。試料台１８には、バイアス用ＲＦ電源２９が接続されており、例えば１３.５６ＭＨｚのＲＦ電力を印加することによって、効率的に試料２１をエッチングすることができる。また、減圧処理室２０の圧力はターボ分子ポンプ２２および可変コンダクタンスバルブ２３によって調整することができる。圧力は可変コンダクタンスバルブ２３の上方に取り付けたキャパンシタンスマノメータ２４によって測定され、この値を可変コンダクタンスバルブ２３の開度にフィードバック制御することによって圧力を所望の値に維持することができる。
【００２６】
処理室側面には石英のぞき窓３０が設けられており、ここに光ファイバ２７を介して分光システム２８が接続されており、プラズマ発光を分析して、条件切換えのタイミングを判断することができる。分光システム２８からの条件切換え指示に基づき、コンピュータ２５が、ガス供給ユニット１６を始めとする装置各ユニットに次の条件を指示する構造になっている。ガス供給ユニット１６の構成としては、図３のような構成を用いた。図３において各ガスラインにはＭＦＣ１０２，１１２，１２２とバルブ１０３，１１３，１２３が取り付けられており、バルブ１０３，１１３，１２３の後段で全てのガスラインがガス配管１０５に結合され、バルブ１３０，処理ガスライン８を介して、ノズル１９へ導入される構造になっている。
【００２７】
さらに、ＭＦＣ１０２，１１２および１２２とバルブ１０３，１１３および１２３の間に排気ポンプ５に繋がる排ガスライン１０６を追加し、それぞれにバルブ１０４，１１４および１２４を設置している。また、排ガスライン９には可変コンダクタンスバルブ１００（ピエゾバルブ）が取り付けられており、排ガスライン９の圧力Ｐ１を調整できる構造になっている。このガス供給ユニットを用いてガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換える場合を例にとって説明する。ガス供給源１０１のステップでは、ガス供給源１０１の排ガスラインのバルブ１０４が閉じ、処理ガスライン８に取り付けられたバルブ１０３が開いており、ＭＦＣ１０２から所望の流量のガスが減圧処理室６に供給されている状態である。また、この時、次ステップで使用するガス供給源１１１に関しては、バルブ１１３が閉じ、バルブ１１４が開いており、ＭＦＣ１１２から次ステップで使用する流量のガスが排ガスライン９に流されている。ガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換える際には、バルブ１１３を開くと同時に、バルブ１１４およびバルブ１０３が閉じられる。
【００２８】
つぎに、流量変更について、ガス供給源１０１の流量を変更する場合を例にとって説明する。前のステップではバルブ１０３および可変コンダクタンスバルブ１００が開いている状態で、ＭＦＣ１０２の流量設定がＱ１に設定されている状態である。条件切換えの指示と同時にＭＦＣ１０２の設定値がＱ２に設定される。
【００２９】
ガス導入機構１９には図２の拡大図のよう穴径ｄ＝０.１mm，穴深さｔ＝７mmのノズル状のガス導入用穴１１を２７個有するものを用いて、Ｐｏ＝Ｐ１になるように可変コンダクタンスバルブ１００の開度を調整した状態でガス流量の応答性を調べた。処理ガスライン８の配管長を変えることでＶｏの大きさを変えて、ガス供給源１０１からガス供給源１１１へ切換えた場合のガス供給源１１１の流量の応答性の変化をみた結果を図４に示す。なお処理ガスライン８のガス配管には一般的な１／４インチステンレス配管を用いた。図４に示すように処理ガスライン８の配管長を短くして、Ｖｏを小さくするに従って、応答性が向上しており、配管長を２０mm、Ｖｏを１.１cm3まで小さくすることで目標の１ｓ以下の流量を設定値１５０sccmにすることができることがわかる。
【００３０】
この結果を数式１のＵの値を横軸にとり、ガス切換後１ｓのガス流量との相関を図５に示す。ここで、ｔはガス導入用穴１１の穴深さ、ｄは穴径、Ｎは個数、Ｑはガス流量（Ｐａ・ｍ3／ｓ）である。Ｕの値が十分大きい場合は１ｓ後のガス流量が設定流量の１５０sccmになる。一方、Ｕの値が０.２（Ｐａ0.5／ｓ0.5）以下になると急激に流量が減少し始め、０.０２（Ｐａ0.5／ｓ0.5）以下では完全に０sccmになってしまう。したがって、１ｓ以下のガス切換えをするにはＵの値を少なくとも０.０２（Ｐａ0.5／ｓ0.5）以上、望ましくは０.２（Ｐａ0.5／ｓ0.5）以上にする必要がある。
【００３１】
次に前述のノズル構造を用いて、処理ガスライン８の配管の長さを２０mmにして、可変コンダクタンスバルブ１００の開度を変更して、ガス切換時の圧力変動を調べた。Ｐｏの値は２２ｋＰａであり、これを基準にしてＰ１の値を０.５倍，１倍，２倍にした場合のガス切換時の圧力変動を調べた結果を図６に示す。Ｐ１が小さい場合にはアンダーシュートが、Ｐ１が大きい場合にはオーバーシュートが発生する。この原因について調べた。Ｐ１が小さい場合には、バルブ１１３，バルブ１１４およびＭＦＣ１１２で囲まれた部分のガス配管１１５へガスが逆流しており、逆にＰ１が高い場合にはガス配管１１５に貯まったガスが一気に噴出していることがわかった。
【００３２】
次にガス切換時の圧力変動量ΔＰとＰ１の関係を調べた結果を図７に示す。Ｐｏの１〜１.２倍の範囲でオーバーシュートもアンダーシュートも発生しない領域があることがわかる。したがってＰ１の値をこの範囲に設定することによってアンダーシュートやオーバーシュートの発生しないスムーズなガス切換えができる。
【００３３】
可変バルブの開度でアンダーシュートを制御する場合、ガス流量やガス種によって可変バルブの開度を常に制御する必要があり、装置コストが大きくなる。そこで、可変バルブを用いずにアンダーシュートを防止する方法を検討した。
【００３４】
可変コンダクタンスバルブ１００を全開にした状態では、Ｐｏが２２ＫＰａなのに対して、Ｐ１の圧力は５０Ｐａと低いため、逆流によって大きなアンダーシュートが発生する。このときの圧力変動量ΔＰとガス配管１１５の容積Ｖ１との関係を計算機シミュレーションによって求めた結果、ΔＰ＝Ｐｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖｏ）で表されることがわかった。
【００３５】
このため例えば圧力変動ΔＰを１０％以下に抑えるためには、Ｖ１をＶｏの１１％以下にする必要がある。今回の実験系でＶ１をＶｏの１１％以下にするためには、ガス配管１１５の配管長を３mm以下にする必要がある。しかし、バルブ１１３，バルブ１１４およびＭＦＣ１１２を通常のガス配管で接続した場合、３mm以下にすることは極めて困難である。そこで、ガス配管１１５の長さを極限まで小さくするため、バルブやＭＦＣが直結されている集積化ガスシステムを用いた。この方法によって、Ｖｏ≫Ｖ１の状態を作り、ガス切換時の圧力の応答性を調べた結果、圧力のアンダーシュートが発生せず、スムーズなガス切換えができることが確認された。
【００３６】
この構成を用いて、ガス切換試験を繰り返して再現性試験を行い、アンダーシュートの有無を調べた。この結果、５％の確率でランダムにアンダーシュートが発生していることがわかった。この原因についてガス供給源１０１からガス供給源１１１へ切換える場合のシーケンス図（図８）で説明する。ガス切換えの瞬間の時刻０ｓから０.１ｓの間は、バルブ１０３およびバルブ１１４が完全に閉じておらず、バルブ１１３が開きかけている状態である。この瞬間、バルブ１１３およびバルブ１１４を介して処理ガスライン１０５と排ガスライン１０６がつながっているため、圧力の高い処理ガスライン１０５から排ガスライン１０６へ逆流が発生する。この逆流によって、ガス切換時に圧力のアンダーシュートが発生する。また、アンダーシュートの程度は、時刻０ｓから０.１ｓの間の各バルブの閉まり具合に依存するため、バラツキが大きい。バルブの切換シーケンスを図９に示すようにバルブ１１４が閉じてからバルブ１１３を開くように変更した。このシーケンスによって再現性試験を行った結果、１０００回の繰り返し実験においても一度もアンダーシュートが発生しなくなった。
【００３７】
圧力のアンダーシュートが発生するハードと発生しないハードの二つにおいて、連続放電したまま、ガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換えた。その結果、アンダーシュートのないハードでは安定なプラズマ放電が得られたが、アンダーシュートのあるハードでは、アンダーシュート発生時に放電が明滅することがわかった。この二つのハードで製品処理を行って歩留まりを評価したところ、アンダーシュートのないハードでは、高い歩留まりが得られたが、アンダーシュートのあるハードでは、パーティクル起因のエッチング残りによる配線ショートが多発して、歩留まりが大幅に低下した。
【００３８】
以上のように、本発明のガス切換えシステムを用いることによって、高速かつスムーズなガス切換えができるため、安定した連続放電を実現できる。これによって、パーティクル起因の製品欠陥を減らすことができることがわかった。
【００３９】
本発明では、（１）集積ガスシステムによるＶ１の低減および（２）図９のバルブ切換シーケンスの組み合わせを用いて、放電安定性や製品歩留まりの評価を行ったが、（１）または（２）の方法のいずれかのみでもある程度の効果は得られる。また、（３）可変コンダクタンスバルブ１００によるＰ１の調整による方法を用いた場合でも、（１）および（２）の組み合わせと同様の効果が得られる。さらに（１）（２）および（３）の方法を組み合わせれば、更に高い効果が得られる。
【００４０】
〔実施例２〕
実施例１の構成を使って、図１０のような３ステップのエッチングを行った。このとき圧力は図１１に示すように、ステップ１の直後には圧力のアンダーシュートが、ステップ２の直後には圧力のオーバーシュートがそれぞれ発生して、プラズマが消滅する現象が見られた。そこで、このアンダーシュートとオーバーシュートの発生原因および低減方法を検討した。
【００４１】
本方式ではガス流量の応答性が高く、ガス流量が急峻に変化するため、応答性の遅い圧力制御機構が追従できない状況になっている。このため、図１１に示すようなアンダーシュートやオーバーシュートが発生したと考えられる。この問題を解決するため、ガス流量を段階的に変化させる方法を検討した。
【００４２】
図１２に示すように、ステップ２の最初の１.０ｓ間だけＭＦＣ１１２の流量を１５０sccmに設定し、それ以降を１００sccmに減らした。また、ステップ３についても最初の１.０ｓ間だけＭＦＣ１２２の流量を１５０sccmに設定し、それ以降を２００sccmに増やした。このときの圧力の変化は、ガス流量を段階的に引き下げたり、引き上げたりすることによって圧力のアンダーシュートやオーバーシュートが小さくなっている。これによりステップ切換えにかかわらず、安定な放電を維持できるようになった。
【００４３】
以上のように、本発明のガス流量切換え方式を用いて、ステップ１とステップ２で流量を変更した場合に発生する圧力のアンダーシュートやオーバーシュートに関して、ステップ２の開始時の流量を、ステップ１とステップ２の中間的な流量にすることによって、圧力のアンダーシュートを低減できることがわかった。この方式を用いれば、連続放電した場合でも、ステップ切換え時のプラズマ消滅がなくなり、パーティクル起因の製品欠陥を大幅に軽減できる。
【００４４】
〔実施例３〕
実施例１のガス切換え方式をマイクロ波エッチング装置に適用した場合の構成を図１３に示す。図１３の装置では、エッチングガスは、ガス供給ユニット１６から、石英製の誘電体窓２６の内部に作られたガス貯め１０を経て、誘電体窓２６の減圧処理室側に設けられた複数の穴（シャワープレート構造）から、減圧処理室内に導入される。また、マグネトロン５３で生成されたマイクロ波が導波管５４，空洞共振部５５，誘電体窓２６を経て、減圧処理室内に供給される構造になっており、このマイクロ波と、コイル５６の作る磁場の相互作用によってプラズマ１７を生成する構造になっている。また、この装置は、圧力制御の安定性を上げるため、減圧処理室の容積を１５０Ｌと比較的大きくなっている。その他の構成は実施例１と同じである。シャワープレート構造の例としてここでは、穴径１mm，深さ１０mmのガス導入用穴１１が５個開いているものを使用した。また、ガス貯め１０としては、例として直径５００mm，厚さ２mmの円筒状の空洞構造を用いた。
【００４５】
この装置を用いて、ガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換え、ガス供給源１１１の流量の応答を調べた。その結果、応答性が極めて悪く、設定流量の１５０sccmに達するのに５ｓ程度要していることがわかった。応答速度が悪い原因を調べた結果、ガス貯め１０の容積が大きいため、Ｕの値が小さくなっていることが原因であることがわかった。ガス導入口５７が最外周にあるためガス貯め１０の直径は小さくできない。そこで、ガス貯め１０の厚みを０.１mmまで減らして、ガス貯め１０の容積を減らした。この構成で同様の試験をした結果、ガス流量の応答性が逆に劣化していることがわかった。これは、ガス導入口５７から、ガス導入用穴１１に至るまでのガス流路が極端に狭くなって、ガスが通りにくくなったためである。
【００４６】
以上の検討から、シャワープレートでは、ガス貯めの容積が大きく、Ｖｏを小さくすることができないことがわかった。
【００４７】
そこで、シャワープレートのガス導入用穴１１の数を増やすことでＵの値を大きくして応答性を向上させることを検討した。ガス導入用穴１１の数を３０個，１５０個と増やしていた場合のガス流量の応答性を図１４に示す。穴数を増やすに伴って、応答性が改善しており、１５０個ではほぼ１ｓで設定流量の１５０sccmに達している。
【００４８】
本実施例では、穴数を増やすことでＵの値を大きくして応答性の改善を実現したが、穴径を大きくしても同様の効果が得られる。
【００４９】
この装置に穴数５個もしくは１５０個のシャワープレートを搭載して、図１５の３ステップエッチングによって、図１６（ａ）の構造の試料を処理した。このエッチングではレジストパターンのマスク６０に沿って、ポリシリコン６１，シリコン酸化膜６２，ポリシリコン６３をエッチングし、シリコン酸化膜６４と基板シリコン６５を残す必要がある。まず、第１ステップでは、ポリシリコン６１，シリコン酸化膜６２をエッチングする。第２ステップでは、シリコン酸化膜６４が露出するまで、ポリシリコン６３をエッチングする。このときの加工形状は、図１６（ｂ）のように、ポリシリコン６３がテーパ形状になる。第３ステップでは、このテーパ形状の裾部をエッチング除去する。このとき、シリコン酸化膜６４がエッチングされないようにするため、シリコン酸化膜のエッチング速度の遅い高圧条件を用いている。この３ステップによって、図１６（ｃ）のような垂直な加工形状が期待できる。
【００５０】
次に放電中断と連続放電の二つの方法で図１６（ａ）の構造の試料を処理して加工形状を比較した。放電中断処理の場合は、シャワープレートの穴数によらず、十分な膜厚のシリコン酸化膜６４が残っており、図１６（ｃ）とほぼ同じ加工形状が得られた。これに対して、穴数１５０個のシャワープレート連続放電の場合は、図１７（ａ）に示すようにパターン裾部のシリコン酸化膜６４が消失して、基板シリコン６５の一部がエッチングされていた。さらに穴数５個のシャワープレートでは、図１７（ｂ）に示すようにシリコン酸化膜６４が完全に消失していた。
【００５１】
そこでこの違いの発生する理由を調べた。放電中断処理の場合の圧力変化と、マイクロ波の投入電力の変化をそれぞれ図１８に示す。放電中断処理では、各ステップの始め５ｓ間に、マイクロ波電力を投入しない時間帯を設けることによって、圧力の安定な時間帯のみにエッチング処理を行っている。次に、連続放電の場合の、圧力変化と、マイクロ波の投入電力・反射電力の変化をそれぞれ図１９に示す。この場合は、最初の５ｓ間を除き、エッチング終了までマイクロ波電力を投入している。このため、圧力の変化している最中もエッチング処理していることになる。特にステップ３の開始時は圧力が０.５Ｐａから３Ｐａに徐々に上昇する時間帯が２.５ｓ程あり、この間のエッチングを考慮する必要がある。
【００５２】
ステップ３のガス条件にて、圧力を０.４Ｐａから３Ｐａまで変えた場合のポリシリコンおよびシリコン酸化膜のエッチング速度を図２０に示す。３Ｐａでは、シリコン酸化膜のエッチング速度がほとんど０ｎｍ／minであるのに対して、圧力を下げた場合はシリコン酸化膜のエッチング速度が増加しており、０.５Ｐａ近傍では、４０ｎｍ／min程度の高い値となり、シリコンとの選択比が大幅に低下していることがわかる。このため、シリコン酸化膜６４の膜厚が薄い場合は、ステップ３開始後、３Ｐａに達するまでの２.５ｓ間にシリコン酸化膜６４の一部がエッチング除去されたと考えられる。
【００５３】
このメカニズムに加えて、シャワープレートの穴数が５個の場合は、第１ステップに用いたガスＩが５ｓ間のステップ２中も残留しており、残留しているガスＩがシリコン酸化膜６４のエッチ速度を高くしていることがわかった。
【００５４】
前者のメカニズムによる選択性低下を防止するため、圧力の立ち上がりの時間を短縮する方法を考えた。圧力の立ち上がり時間は、ほぼ処理室容積に比例し、ガス流量に反比例する。そこで、図２１のようにステップ３の開始１秒間のガスＣおよびガスＢのガス流量を４倍の４００sccmと８sccmに増やし、その後、通常の流量に戻す方法を検討した。この方法を穴数５個と穴数１５０個のシャワープレートで試した場合の総ガス流量の時間変化を調べた。穴数５個のものでは、ガス流量の応答性が悪いため、１ｓの短時間の流量変更では、実際の流量はほとんど変化してない。これに対して、穴数１５０個のものでは、ガス流量の応答性がよいため、１ｓ間の瞬間的な流量変更でも応答していることがわかった。
【００５５】
この時の圧力の変化を調べた。穴数５個の場合は、ガス流量に変化がないため、図１９の場合と全く同じ圧力の応答を示すことがわかった。一方、穴数１５０個の場合には、図２２に示すように３Ｐａに達するために要する時間が０.５ｓに短縮されていることがわかる。この方法を用いて、図１６（ａ）の試料をエッチングした結果、穴数５個の場合は図１７（ｂ）と同様の加工形状になったが、穴数１５０個の場合はシリコン酸化膜に対する選択性が改善されて、放電中断の場合の結果（図１７（ｃ））とほぼ同じ加工形状になった。
【００５６】
以上のように、ステップ１からステップ２に移行する際に圧力増加が必要な場合、ガス流量の応答性のよいシャワープレート構造を用いて、ステップ２開始時の流量を、ガス流量比を一定のまま、ガス流量を所望の値より大きくすることによって、より短時間で目的の圧力値にすることができる。この方法を用いれば、連続放電処理を行った場合でも、放電中断処理と差異のない加工特性が得られる。
【００５７】
本実施例では、ステップ間で圧力を増やす場合を例にとって説明したが、圧力を下げる場合は、ステップ開始時の流量を減らすことで高速の圧力制御が可能である。
【００５８】
〔実施例４〕
実施例３の装置構成において、排ガスライン９の排気ポンプ５とターボ分子ポンプ（排気手段）２２の背圧排気用のポンプを兼用することを検討した。このための実施例の一つを図２３に示す。ターボ分子ポンプ（排気手段）２２と、そのマスク６０の間をつなぐポリシリコン６１に可変コンダクタンスバルブ１００を介して排ガスライン９を接続した。このような構成にした場合、ポリシリコン６１から、排ガスライン９を介して処理ガスライン８にターボ分子ポンプからの排ガスが逆流することが懸念される。可変コンダクタンスバルブ１００の開度を調整して、圧力計１３１で計測されるポリシリコン６１の圧力Ｐ２より、圧力計１３２で計測される排ガスライン９の圧力Ｐ１を高くすることによって、逆流を防止することができる。また、これによって排気ポンプの台数を増やすことなく高速のガス切換えを実現できるため、装置コストを低減することができる。
【００５９】
〔実施例５〕
図２４は、排気ポンプ５と背圧排気用のポンプを兼用した別の実施例である。本実施例のガス供給ユニットには、ガス供給源１０１，ガス供給源１１１とは別にガス供給源１２１のガスラインが設けられている。
【００６０】
また、本実施例では、ターボ分子ポンプ（排気手段）２２と、そのマスク６０の間をつなぐポリシリコン６１にバルブ１３３を介して排ガスライン９が接続されている。
【００６１】
このガス供給ユニットを用いてガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換える場合を例にとって説明する。ガス供給源１０１のステップでは、ガス供給源１０１の排ガスラインのバルブ１０４が閉じ、処理ガスライン８に取り付けられたバルブ１０３およびバルブ１３０が開いており、ＭＦＣ１０２から所望の流量のガスが減圧処理室２０に供給されている状態である。また、その他のバルブは閉じられており、ガス供給源１１１もガス供給源１２１も流れていない状態である。ガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換える時刻より前（例えば１０秒前）のあらかじめ決めておいた時刻ｔｏにガス切換えの準備を開始する。バルブ１１４を開き、ＭＦＣ１１２の流量を次ステップで使用する流量に設定する。この後、圧力計１３２で計測される圧力Ｐ１と圧力計１３１で計測される圧力Ｐ２をモニタして、Ｐ１がＰ２より高くなったところで、バルブ１３３を開く。この状態でＭＦＣ１１２の流量が安定するまで放置して、ガス供給源１０１からガス供給源１１１に切換えるタイミングで、バルブ１１３を開くと同時にバルブ１１４およびバルブ１０３を閉じる。その後、Ｐ２が十分下がったところでバルブ１３３を閉じる。
【００６２】
本実施例の方法では、Ｐ１がＰ２より高くなるまで待ってからバルブ１３３を開くことによって、ポリシリコン６１から、排ガスライン９に排ガスが逆流することを防止できる。このため、ターボ分子ポンプの排気ガス中の反応生成物が排ガスライン９を介して減圧処理室２０に逆流することを防止できるため、反応生成物に起因する製品欠陥を防止できる。
【００６３】
〔実施例６〕
実施例５の方法において、Ｐ１がＰ２より高くなるまで待つ間、ＭＦＣ１１２の流量を次ステップで使用する流量Ｑｏより一時的に高い値に設定した。その後、Ｐ１＞Ｐ２となってバルブ１３３を開いた後に、流量をＱｏに設定した。これによって、Ｐ１＞Ｐ２に達するまでの時間を短縮できる。
【００６４】
〔実施例７〕
実施例５の方法において、Ｐ１がＰ２より高くなるまで待つ間、一時的にバルブ１２４を開いてＭＦＣ１２２の流量を１０００sccmに設定した。その後Ｐ１＞Ｐ２となってバルブ１３３を開いた後に、流量をＱｏに設定した。これによって、Ｐ１＞Ｐ２に達するまでの時間を短縮できる。
【００６５】
本実施例では、Ａｒガスを用いたがＮ2や他の希ガスなど反応性の低いガスであれば同様の効果が得られる。
【００６６】
また、本発明は、請求項１記載のプラズマエッチング装置において、第１のバルブとガス導入部の間の容積Ｖｏと前記ガス導入部の穴径ｄ，穴深さｔ，穴個数Ｎによって決まる数式１のＵの値を０.０２（Ｐａ0.5／ｓ0.5）以上にすることを特徴とする。
【符号の説明】
【００６７】
１，２，１０３，１０４，１１３，１１４，１２３，１２４，１３０，１３３  バルブ
３，１０２，１１２，１２２  ＭＦＣ
４，１０１，１１１，１２１  ガス供給源
５  排気（手段）ポンプ
６，２０  減圧処理室
７  排気手段
８  処理ガスライン
９  排ガスライン
１０  ガス貯め
１１  ガス導入用穴
１２  外側のアンテナコイル
１３  内側のアンテナコイル
１４  放電用ＲＦ電源
１５  電力分配器
１６  ガス供給ユニット
１７  プラズマ
１８  試料台
１９  ガス導入機構（ノズル）
２１  試料
２２  ターボ分子ポンプ
２３  可変コンダクタンスバルブ
２４  キャパシタンスマノメータ
２５  コンピュータ
２６  誘電体窓
２７  光ファイバ
２８  分光システム
２９  バイアス用ＲＦ電源
３０  石英のぞき窓
５３  マグネトロン
５４  導波管
５５  空洞共振部
５６  コイル
５７  ガス貯めへのガス導入口
６０  マスク
６１  ポリシリコン
１００  可変コンダクタンスバルブ（ピエゾバルブ）
１１５  ガス配管
１３１，１３２  圧力計
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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