(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地した対向電極側に保持した平面又は平面に近い曲面からなる被処理物の表面に対して、複数の単位電極を密集させて構成した実質的に電極面が平面である集合型電極を所定のギャップを設けて配置し、該ギャップにプロセスガスを供給するとともに、前記集合型電極に高周波電源から高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生させて被処理物表面を処理する平行平板型のプラズマ処理装置であって、前記集合型電極は各単位電極を電気絶縁状態で支持部材に固定したものであり、各単位電極にはそれぞれ独立して作動するスイッチング機構を介して前記高周波電源が接続されており、前記スイッチング機構は、ＯＮ状態で前記ギャップでの放電発生に必要なしきい値電圧以上のピーク値を有する高周波電圧を単位電極に印加してプラズマを発生させ、ＯＦＦ状態で放電維持に必要なしきい値電圧以下のピーク値を有する高周波電圧を単位電極に印加してプラズマを消滅させる機能を備えるベく、一対のＭＯＳＦＥＴのソース同士を接続して直列に配し、一方のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記高周波電源側に接続するとともに、他方のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記単位電極側に接続し、両ＭＯＳＦＥＴのゲートとソース間に外部制御信号によって両ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を同時に制御するスイッチング素子を接続し、該スイッチング素子によるゲート電圧が高い状態が前記ＯＮ状態に対応し、ゲート電圧がゼロ又は低い状態が前記ＯＦＦ状態に対応するようにし、各単位電極で発生させるプラズマの発生時間を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
接地した対向電極側に保持した平面又は平面に近い曲面からなる被処理物の表面に対して、複数の単位電極を密集させて構成した実質的に電極面が平面である集合型電極を所定のギャップを設けて配置し、該ギャップにプロセスガスを供給するとともに、前記集合型電極に高周波電源から高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生させて被処理物表面を処理する平行平板型のプラズマ処理装置であって、前記集合型電極は各単位電極を電気絶縁状態で支持部材に固定したものであり、各単位電極にはそれぞれ独立して作動するスイッチング機構を介して前記高周波電源が接続されており、前記スイッチング機構は、ＯＮ状態で前記ギャップでの放電発生に必要なしきい値電圧以上のピーク値を有する高周波電圧を単位電極に印加してプラズマを発生させ、ＯＦＦ状態で放電維持に必要なしきい値電圧以下のピーク値を有する高周波電圧を単位電極に印加してプラズマを消滅させる機能を備えるベく、複数対のＭＯＳＦＥＴを直列に接続し、各対のＭＯＳＦＥＴのソース同士を接続して直列に配するとともに、異なる対のＭＯＳＦＥＴのドレイン同士を接続し、前記高周波電源側の対のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記高周波電源に接続するとともに、前記単位電極側の対のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記単位電極に接続し、各ＭＯＳＦＥＴのゲートとソース間に外部制御信号によって各ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を同時に制御するスイッチング素子を接続し、該スイッチング素子によるゲート電圧が高い状態が前記ＯＮ状態に対応し、ゲート電圧がゼロ又は低い状態が前記ＯＦＦ状態に対応するようにし、各単位電極で発生させるプラズマの発生時間を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記スイッチング素子が前記外部制御信号によって駆動する機械式リレーである請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記スイッチング機構は、前記機械式リレーの可動接点がｂ接点に接続している際にはＭＯＳＦＥＴのゲートとソースが短絡し、可動接点がａ接点に接続した際にはＭＯＳＦＥＴのソース側にカソードを接続したダイオードを介してゲート電源からゲートに電圧を印加するものである請求項３記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記集合型電極の各単位電極は断面円形又は六角形の同一部材で、周囲部を除いて特定の単位電極の周りに６個の単位電極が等距離に位置した稠密配列であり、各単位電極が作る電極面の大きさを被処理物の処理対象表面よりも大きく設定してなる請求項１〜４何れか1項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記プロセスガスの圧力が、０．０１〜１ＭＰａである請求項１〜５何れか1項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６何れかに記載のプラズマ処理装置を用い、前記被処理物がＳＯＩウエハであり、予めＳＯＩウエハのＳｉ層全面を計測して除去データを取得し、酸素ガスを不活性ガスで希釈したプロセスガスを用いて、前記除去データに基づいて各単位電極に高周波電圧を印加するスイッチング機構を制御して面内分布を有する酸素プラズマを発生させ、この酸素プラズマで生成した酸素ラジカルをＳＯＩウエハのＳｉ層の表面に作用させて除去部位を酸化させた後、プラズマ処理装置から取り出したＳＯＩウエハをフッ化水素酸で処理して酸化膜を除去することを特徴とするＳＯＩウエハの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物表面をプラズマによって処理するためのプラズマ処理装置に係わり、更に詳しくは空間的及び時間的にプラズマ分布を制御して被処理物表面に対する実効的プラズマ作用時間を局所的に制御可能なプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程においては、一対の電極間に基板を載置し、電極間に反応ガスを供給した状態で高周波電力を印加することにより、電極間に供給された反応ガスをイオン種、ラジカル種等に分解してプラズマを発生させ、このプラズマを用いて、電極間に載置された基板に対して、エッチング、薄膜形成、表面改質等の表面処理を行う平行平板型のプラズマ処理装置が広く用いられている。しかし、これらの平行平板型のプラズマ処理装置には、大面積のウエハを一度に処理できるものの、プラズマの空間分布を制御する機能はなく、数値制御加工に適用できるものではない。
【０００３】
近年、低消費電力、高速動作が可能な半導体デバイス開発のため、Silicon-on-insulator （ＳＯＩ）ウエハが用いられている。ＳＯＩウエハ表面のＳｉ薄膜層の膜厚にバラつきがあると、素子のしきい値電圧のバラつきに影響を及ぼしてしまうため、ナノオーダーで膜厚の均一なＳｉ薄膜層を作製することが求められている。特許文献１に示されたプラズマＣＶＭ（Chemical Vaporization Machining）を始め、Ｓｉ薄膜層の膜厚均一化に有効な加工法が現在までにいくつか開発されてきたが、試料表面を走査させる手法を用いるため、近年のウエハ大面積化に伴い加工時間が非常に長くなってしまうといった問題があった。この問題を解決するためには、領域ごとに加工量を高精度に制御することができ、かつ大面積のウエハを短時間で処理できることが要求される。
【０００４】
そこで、本発明者は、特許文献２に記載されるように、平面又は平面に近い曲面からなる被処理物の表面に対して、複数の単位電極を密集させて構成した実質的に電極面が平面である集合型電極を所定のギャップを設けて配置し、該ギャップにプロセスガスを供給するとともに、前記集合型電極に高周波電源から高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生させて被処理物表面を処理するにあたり、前記集合型電極として、高周波電源に接続する共通の導電性ベース板に、各単位電極を電気的に接続状態で且つ該導電性ベース板に対して直交方向に変位可能に設けるとともに、制御装置で駆動されたアクチュエータ（ソレノイド）によって各単位電極が個別に規準位置と後退位置とをとる構造を採用し、前記単位電極が規準位置をとるときその先端でプラズマが発生し、後退位置をとるときプラズマが消滅することにより、プラズマの面内分布を制御するプラズマ処理装置を提案した。ここで、前記ギャップに挿入した薄い板状の誘電体窓によって、被処理物側と前記集合型電極側を区画し、被処理物側には該被処理物の表面と誘電体窓の間にプロセスガス供給空間を形成している。
【０００５】
特許文献２に記載されたプラズマ処理装置を用い、被処理物を酸素プラズマ中で処理して表面を所定深さに酸化させ、その酸化膜をフッ化水素酸で除去することにより加工する犠牲酸化法によって、ＳＯＩウエハ表面のＳｉ薄膜層の膜厚均一化加工を行ったところ、膜厚のばらつきをＰ−Ｖ値４．５ｎｍから１．１ｎｍに改善することに成功したが、解決すべきいくつかの問題点を抱えていた。例えば、プラズマの制御にはソレノイドコイルを用いて電極を上下し、電界強度を弱めることにより制御を行っていたが、電極サイズが上部のアクチュエータなどのサイズに制限されてしまうため、加工分解能の向上に限界があること、機械的な摺動によって電極の動作に不安定性が生じること、電極上部のソレノイドコイル等の機構とプラズマ発生領域を遮蔽するため、誘電体板が必要となり、電極試料間距離が広がるため、酸化速度が低下することなどが挙げられる。
【０００６】
一方、特許文献３には、下部電極上に被エッチング基板を載置し、上部電極に高周波電力を印加してエッチングするドライエッチング装置において、前記下部電極を複数ブロックに絶縁分割し、各ブロックにそれぞれインピーダンスを接続して接地し、該インピーダンスを個々に制御し、前記下部電極上に載置した被エッチング基板のエッチング速度を選択的に相違させるように構成したアノードカップル型のドライエッチング装置が記載されている。
【０００７】
また、特許文献４には、平行状として対向配置された一対の平板電極と、これら平板電極のうちの一方側に接続される高周波電源とを具備してなる平行平板型ドライエッチング装置であって、高周波電源が接続される側の平板電極は、その平面方向に沿って分割され、かつ、相互間が電気的に絶縁された複数の電力印加部から構成され、表面には被エッチング基板を載置したものであり、これら電力印加部のそれぞれは高周波電源に対して各別に接続されたカソードカップル型の平行平板型ドライエッチング装置が開示されている。そして、電力印加部のそれぞれに対して印加される高周波電源からの高周波電力を調整することにより、各電力印加部における電力密度、すなわち、電力印加部のそれぞれ及びこれらと対向配置された平板電極（上部電極）との間におけるプラズマ密度を局部ごとに制御することできる。しかし、特許文献４の電極を小電極に分割するだけでは、各小電極の境界付近で高周波の重畳により過大あるいは過小な電界が生じ、均一なプラズマを生成させるには不充分である。そこで、特許文献５には、隣接する各小電極に印加する高周波電圧の位相のずれが１２０〜２４０度の範囲になるように調整する点が開示されている。
【０００８】
しかし、特許文献３に記載のドライエッチング装置は、不均一なエッチングを想定しているものの、絶縁分割するブロック数は１０インチφの面積であれば数十ブロックに分割するのが限界であると記載され、プラズマの空間制御性に乏しく、精密な数値制御加工には適用できない。また、特許文献４，５に記載のドライエッチング装置は、いずれもプラズマの面内均一性を向上させるために電極を分割し、個々の電極へ印加する高周波電力を調整するというものである。また、特許文献３，４では、被処理物を分割電極の表面に配置しているので、分割電極によるプラズマの制御作用は被処理物を介することになり、空間分解能は低くなるという欠点を有している。その上、特許文献３〜５に記載された分割電極によるプラズマ制御技術は、局所的なプラズマの発生、消滅を制御するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２９６２５８３号公報
【特許文献２】特許第５０１３３３２号公報
【特許文献３】実開平４−３０７２８号公報
【特許文献４】特開平７−１６９７４５号公報
【特許文献５】特開２００２−３１３７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、プラズマ発生用電極として、被処理物面全体にプラズマを発生させることのできる大きさを有し、局所的にプラズマの発生、消滅を明確に制御でき、被処理物の表面に作用するプラズマの面内分布を任意に制御できる汎用的なプラズマ処理装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前述の課題解決のために、接地した対向電極側に保持した平面又は平面に近い曲面からなる被処理物の表面に対して、複数の単位電極を密集させて構成した実質的に電極面が平面である集合型電極を所定のギャップを設けて配置し、該ギャップにプロセスガスを供給するとともに、前記集合型電極に高周波電源から高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生させて被処理物表面を処理する平行平板型のプラズマ処理装置であって、前記集合型電極は各単位電極を電気絶縁状態で支持部材に固定したものであり、各単位電極にはそれぞれ独立して作動するスイッチング機構を介して前記高周波電源が接続されており、前記スイッチング機構は、ＯＮ状態で前記ギャップでの放電発生に必要なしきい値電圧以上のピーク値を有する高周波電圧を単位電極に印加してプラズマを発生させ、ＯＦＦ状態で放電維持に必要なしきい値電圧以下のピーク値を有する高周波電圧を単位電極に印加してプラズマを消滅させる機能を備えるベく、一対のＭＯＳＦＥＴのソース同士を接続して直列に配し、一方のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記高周波電源側に接続するとともに、他方のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記単位電極側に接続し、両ＭＯＳＦＥＴのゲートとソース間に外部制御信号によって両ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を同時に制御するスイッチング素子を接続し、該スイッチング素子によるゲート電圧が高い状態が前記ＯＮ状態に対応し、ゲート電圧がゼロ又は低い状態が前記ＯＦＦ状態に対応するようにし、各単位電極で発生させるプラズマの発生時間を制御することを特徴とするプラズマ処理装置を構成した（請求項１）。
【００１２】
また、本発明は、前述の課題解決のために、接地した対向電極側に保持した平面又は平面に近い曲面からなる被処理物の表面に対して、複数の単位電極を密集させて構成した実質的に電極面が平面である集合型電極を所定のギャップを設けて配置し、該ギャップにプロセスガスを供給するとともに、前記集合型電極に高周波電源から高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生させて被処理物表面を処理する平行平板型のプラズマ処理装置であって、前記集合型電極は各単位電極を電気絶縁状態で支持部材に固定したものであり、各単位電極にはそれぞれ独立して作動するスイッチング機構を介して前記高周波電源が接続されており、前記スイッチング機構は、ＯＮ状態で前記ギャップでの放電発生に必要なしきい値電圧以上のピーク値を有する高周波電圧を単位電極に印加してプラズマを発生させ、ＯＦＦ状態で放電維持に必要なしきい値電圧以下のピーク値を有する高周波電圧を単位電極に印加してプラズマを消滅させる機能を備えるベく、複数対のＭＯＳＦＥＴを直列に接続し、各対のＭＯＳＦＥＴのソース同士を接続して直列に配するとともに、異なる対のＭＯＳＦＥＴのドレイン同士を接続し、前記高周波電源側の対のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記高周波電源に接続するとともに、前記単位電極側の対のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記単位電極に接続し、各ＭＯＳＦＥＴのゲートとソース間に外部制御信号によって各ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を同時に制御するスイッチング素子を接続し、該スイッチング素子によるゲート電圧が高い状態が前記ＯＮ状態に対応し、ゲート電圧がゼロ又は低い状態が前記ＯＦＦ状態に対応し、ゲート電圧がゼロ又は低い状態が前記ＯＦＦ状態に対応するようにし、各単位電極で発生させるプラズマの発生時間を制御することを特徴とするプラズマ処理装置を構成した（請求項２）。
【００１３】
そして、前記スイッチング素子が前記外部制御信号によって駆動する機械式リレーであることも好ましい（請求項３）。
【００１４】
この場合、前記スイッチング機構は、前記機械式リレーの可動接点がｂ接点に接続している際にはＭＯＳＦＥＴのゲートとソースが短絡し、可動接点がａ接点に接続した際にはＭＯＳＦＥＴのソース側にカソードを接続したダイオードを介してゲート電源からゲートに電圧を印加するものであることがより好ましい（請求項４）。
【００１５】
また、前記集合型電極の各単位電極は断面円形又は六角形の同一部材で、周囲部を除いて特定の単位電極の周りに６個の単位電極が等距離に位置した稠密配列であり、各単位電極が作る電極面の大きさを被処理物の処理対象表面よりも大きく設定してなることも好ましい（請求項５）。
【００１６】
そして、前記プロセスガスの圧力が、０．０１〜１ＭＰａである（請求項６）。
【００１７】
そして、本発明は、前記請求項１〜６何れかに記載のプラズマ処理装置を用い、前記被処理物がＳＯＩウエハであり、予めＳＯＩウエハのＳｉ層全面を計測して除去データを取得し、酸素ガスを不活性ガスで希釈したプロセスガスを用いて、前記除去データに基づいて各単位電極に高周波電圧を印加するスイッチング機構を制御して面内分布を有する酸素プラズマを発生させ、この酸素プラズマで生成した酸素ラジカルをＳＯＩウエハのＳｉ層の表面に作用させて除去部位を酸化させた後、プラズマ処理装置から取り出したＳＯＩウエハをフッ化水素酸で処理して酸化膜を除去することを特徴とするＳＯＩウエハの加工方法を提供するものである（請求項７）。
【発明の効果】
【００１８】
以上にしてなる本発明のプラズマ処理装置は、本質的に局在化プラズマを発生させることができ、その局在化プラズマの発生場所を被処理物の面内において空間的に制御することができるので、被処理物表面の各部位に対するプラズマ処理時間を任意に制御することができるのである。プラズマ処理時間によって加工量が変化するプロセスに本発明を適用した場合には、被処理物全面の高能率一括形状創成加工が可能になる。そして、ＯＮ、ＯＦＦ制御が難しい高周波電力のスイッチング機構を、一対のＭＯＳＦＥＴを組み合わせた簡単なスイッチング回路で実現でき、スイッチング機構のＯＮ状態とＯＦＦ状態に応じて各単位電極毎にプラズマを発生、消滅するように高周波電圧を実質的に制御することができ、スイッチング回路が簡単になるので、単位電極の更なる高密度化も可能になる。更に、本発明は、数値制御加工を行うことが可能な装置でありながら、ＸＹテーブル等の駆動機構を有する必要がなく、極めてシンプルな構造となる。結果的に装置容積が小さくなり、プロセスに用いる反応ガスの使用量も少なくて済み、低ランニングコストを実現できる。電極の機構、構造が単純になったので、多数の単位電極を集積することが可能になり、商業的に用いられるφ３００ｍｍ以上の大面積ウエハを加工可能なプラウズマ処理装置を実現することが可能である。それにより、大面積における膜厚均一化加工法の確立が現実的なものとなった。
【００１９】
本発明のプラズマ処理装置をＳＯＩウエハの加工方法に適用した場合には、サブｎｍ精度でＳＯＩウエハのＳｉ層の厚さばらつきを修正し、また平坦化することができ、Ｓｉ層の厚さも１００ｎｍ以下の任意の厚さに加工することができ、次世代の高性能な電子デバイスを作製することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の概念を示す簡略断面図である。
【図２】７つの単位電極の配列例を示し、（ａ）は単位電極の斜視図、（ｂ）は単位電極の平面図である。
【図３】スイッチング機構の回路図である。
【図４】スイッチング機構における高周波電圧の変化を示し、（ａ）はＯＮ状態での入力電圧と出力電圧の関係のグラフ、（ｂ）はＯＦＦ状態での入力電圧と出力電圧の関係のグラフである。
【図５】本発明のプラズマ処理装置と従来のプラズマ処理装置の処理能力の差を示した酸化時間と酸化膜厚の関係のグラフである。
【図６】隣接する２つの単位電極を用い、プラズマ発生時間を制御してＳｉ表面を酸化処理した場合の単位電極直下の酸化膜厚を示すグラフである。
【図７】隣接する３つの単位電極を用い、プラズマ発生時間を制御してＳｉ表面を酸化処理した場合の単位電極直下の酸化膜厚を示すグラフである。
【図８】犠牲酸化法によるＳＯＩウエハの数値制御加工の原理を示し、（ａ）は空間的に均一なプラズマを発生させた場合にＳｉ層が均一な酸化膜厚で酸化される状態を示す断面図、（ｂ）は空間的に制御されたプラズマを発生させた場合にＳｉ層の凸部が選択的に深い酸化膜厚で酸化される状態を示す断面図、（ｃ）は酸化皮膜をフッ化水素酸で処理して除去する様子を示す断面図、（ｄ）はＳｉ層の凸部が選択的に除去され平坦化された状態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１及び図２は本発明のプラズマ処理装置の概念を示し、図３はスイッチング機構の回路図を示している。先ず、図１に基づいて本発明のプラズマ処理装置の概略を説明する。
【００２２】
本発明のプラズマ処理装置は、プラズマの制御機構をソレノイドコイルによる機械的な制御機構から電気的な制御機構に変更し、電極を固定、かつプラズマ制御機構を簡便化することで誘電体板を取り除き、プラズマ処理速度（酸化速度）の向上を図ったものである。一般的に、高周波電力のスイッチングは、回路素子に寄生容量が存在するため完全に遮断することは難しい。
【００２３】
本発明のプラズマ処理装置は、接地した対向電極１に対して所定の間隔を隔てて、複数の単位電極３，…を密集させて構成した実質的に電極面が平面である集合型電極２を配置して平行平板型の電極構造とし、前記対向電極１の面にウエハなどの平板状の被処理物４を保持する保持部５を設け、前記集合型電極２と被処理物４の間に設けたギャップ６にプロセスガスを供給し、高周波電源７から電力制御システム８を介してスイッチング機構９で高周波電力を制御して前記各単位電極３，…に高周波電圧を印加し、各単位電極３，…の電極面の近傍でプラズマを発生させる構造である。また、前記スイッチング機構９は、パーソナルコンピュータなどによる制御装置１０からの外部制御信号によってＯＮ状態とＯＦＦ状態に制御する。本実施形態では、前記対向電極１を下部に前記集合型電極２を上部に配置し、平面又は平面に近い曲面からなる前記被処理物４は対向電極１の保持部５に載置したアノードカップル型の構造を有している。
【００２４】
更に詳しくは、前記対向電極１は、導電性材料で作成した円板状部材であり、上面の中央部に前記保持部５を前記被処理物４の板厚に相当する深さに凹設し、周囲に環状に絶縁性スペーサー１１を気密状態で取付ける凹段部１２を形成し、更に外周部から上面に至るガス供給路１３とガス排出路１４を適数設けている。ここで、前記被処理物４を前記対向電極１の保持部５に確実に保持するには適宜真空チャックなどの吸着手段を使うことが好ましい。また、絶縁性スペーサー１１を透光性とし、プラズマ発光を側方から観察できるようにすることも好ましい。
【００２５】
前記集合型電極２は、絶縁体材料で作成した円板状の支持部材１５に各単位電極３，…を電気絶縁状態で固定したものであり、前記絶縁性スペーサー１１の上にＯリング１６を介して気密状態で連結する。前記単位電極３は、図１及び図２に示すように、先端の偏平六角形状の電極部１７に棒状の導電部１８を一体形成したものであり、前記導電部１８を前記支持部材１５に上下貫通させて形成した嵌合孔１９に嵌挿して固定する。前記支持部材１５に多数の単位電極３，…を最密集させて固定した状態で、各単位電極３の電極部１７同士は所定の空隙を設けてあり、更に各単位電極３の電極部１７により形成される電極面は実質的に平面である。図２には７つの単位電極３，…の配列を示している。そして、前記単位電極３の導電部１８にはそれぞれ独立して作動するスイッチング機構９を介して前記高周波電源７が接続されている。ここで、前記単位電極３の電極部１７の形状は六角形に限らず、円形、四角形、三角形などで構成することも可能であるが、六角形が最も好ましい。
【００２６】
次に、図３に基づいて前記スイッチング機構９の回路を説明する。ＭＯＳＦＥＴはその構造から中にボディダイオードをもち、ドレインからソース方向へ流れる電流を制御することはできても、ソースからドレイン方向へ流れる電流は制御することは不可能である。そのため、１つのＭＯＳＦＥＴでは、直流を制御することはできても高周波は制御することができない。そこで、ＭＯＳＦＥＴを図３のように２つ直列につなぐことで両方向の電流を制御することができ、完全ではないが単位電極３に伝わる高周波電力を制御することができる。
【００２７】
前記スイッチング機構９は、一対のＭＯＳＦＥＴ２０，２１のソース同士を接続して直列に配し、一方のＭＯＳＦＥＴ２０のドレインを前記高周波電源７側に接続するとともに、他方のＭＯＳＦＥＴ２１のドレインを前記単位電極３側に接続し、両ＭＯＳＦＥＴ２０，２１のゲートとソース間に制御装置１０からの外部制御信号によって両ＭＯＳＦＥＴ２０，２１のゲート電圧を同時に制御するスイッチング素子２２を接続し、該スイッチング素子２２によるゲート電圧が高い状態が前記ＯＮ状態に対応し、ゲート電圧がゼロ又は低い状態が前記ＯＦＦ状態に対応するのである。本実施形態では、前記スイッチング素子２２が前記外部制御信号によって駆動する機械式リレーである。この場合、前記スイッチング機構９は、前記リレー２２の可動接点がｂ接点に接続している際にはＭＯＳＦＥＴ２０，２１のゲートとソースが短絡し、可動接点がａ接点に接続した際にはＭＯＳＦＥＴ２０，２１のソース側にカソードを接続したダイオード２３を介してゲート電源２４からゲートに電圧を印加するものである。各ＭＯＳＦＥＴのソース側に挿入した前記ダイオード２３は、高周波が隣の単位電極３へ伝わることを防ぐためである。前記スイッチング機構９は、以上の基本回路を前記単位電極３の個数だけ並列に設けたものである。
【００２８】
前記スイッチング機構９による高周波電圧のスイッチング特性を図４に示す。測定には対辺間距離１４ｍｍの六角形形状となっている７つの単位電極３，…を持つ実験装置を用いた。高周波電源７の周波数は１３．５６ＭＨｚ、プロセスガスはＨｅ：Ｏ２＝９９：１の混合ガ スを用いた。この装置の電極試料間ギャップ６は２００μｍとなっている。ＯＮ状態では、図４（ａ）に示すように、問題なく高周波がＭＯＳＦＥＴを流れるため、前記スイッチング機構９の入力電圧波形と出力電圧波形は略同じになる。ところが、ＭＯＳＦＥＴは中に微小な寄生容量を持っているので、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧がゼロ又は低いＯＦＦ状態の時は電気的にはコンデンサとして働くため、多少の電力は伝わってしまう。ＯＦＦ状態では、図４（ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴを通して電力が伝わってしまっているため、電源側のピーク電圧に対して電極側のピーク電圧は約７５％となっている。
【００２９】
そこで、前記ギャップ６での放電発生に必要なしきい値電圧Ｖ１以上のピーク値を有する高周波電圧Ｖｉｎを前記スイッチング機構９に入力するとともに、ＯＦＦ状態で放電維持に必要なしきい値電圧Ｖ２以下のピーク値を有する高周波電圧Ｖｏｕｔを出力し、単位電極３に印加するようにすれば、ＯＮ状態でプラズマを発生させ、ＯＦＦ状態でプラズマを消滅若しくは発生させないようにすることが可能である。つまり、前記スイッチング機構９によって完全に高周波電力をＯＮ／ＯＦＦできなくても、ＯＦＦ状態でプラズマが消滅するような電圧に減衰できれば、実質的にプラズマをＯＮ（発生）／ＯＦＦ（消滅）制御できるのである。
【００３０】
つまり、本発明のプラズマ処理装置は、接地した対向電極１側に保持した平面又は平面に近い曲面からなる被処理物４の表面に対して、複数の単位電極３，…を密集させて構成した実質的に電極面が平面である集合型電極２を所定のギャップ６を設けて配置し、該ギャップ６にプロセスガスを供給するとともに、前記集合型電極２に高周波電源７から高周波電圧を印加して前記ギャップ６でプラズマを発生させて被処理物４表面を処理する平行平板型のプラズマ処理装置であって、前記集合型電極２は各単位電極３を電気絶縁状態で支持部材１５に固定したものであり、各単位電極３にはそれぞれ独立して作動するスイッチング機構９を介して前記高周波電源７が接続されており、前記スイッチング機構９は、ＯＮ状態で前記ギャップ６での放電発生に必要なしきい値電圧以上のピーク値を有する高周波電圧を単位電極３に印加してプラズマを発生させ、ＯＦＦ状態で放電維持に必要なしきい値電圧以下のピーク値を有する高周波電圧を単位電極３に印加してプラズマを消滅させる機能を有し、各単位電極３で発生させるプラズマの発生時間を制御するものである。
【００３１】
ここで、前記集合型電極２の各単位電極３は断面円形又は六角形の同一部材で、周囲部を除いて特定の単位電極３の周りに６個の単位電極３，…が等距離に位置した稠密配列であり、各単位電極３が作る電極面の大きさを被処理物４の処理対象表面よりも大きく設定している。前記単位電極３の個数は、処理対象の前記被処理物４の面積と、要求される空間分解能に基づく最小プラズマ領域の面積によって決定される。
【００３２】
また、本発明では、前記プロセスガスの圧力は、大気圧近傍の０．０１〜１ＭＰａである。プロセスガスの圧力が大気圧近傍であると、プラズマ発生領域がより局在化するので、面内位置におけるプラズマの分布を制御し易くなるばかりでなく、高度な真空気密性は要求されないので装置設計も容易になる。また、前記ギャップ６には、プロセスガスをガス供給路１３から供給し、ガス排出路１４から排気して常に新しいプロセスガスがギャップ６に供給されている。尚、被処理物４の表面を酸化させる目的では、プロセスガスをギャップ空間内に充填してプラズマ処理を行うことも可能である。
【００３３】
また、プラズマ処理装置の用途によっては大電力が必要な場合があり、ＭＯＳＦＥＴがＯＦＦ状態の時に出力電圧Ｖｏｕｔがしきい値電圧Ｖ２以下に抑えることができないことも考慮される。その際は、接続するＭＯＳＦＥＴの個数を４個、６個と増やす。前述の通り、ＭＯＳＦＥＴはゲート電圧オフ時にはコンデンサとしての役割を果たすが、コンデンサは直列につないだとき全体の電気容量は低くなる。これを利用し、数多くのＭＯＳＦＥＴを直列につなぐことで全体の電気容量を減らし、高周波を大きくカットすることができ大電力にも対応することができる。
【００３４】
つまり、前記スイッチング機構９は、複数対のＭＯＳＦＥＴを直列に接続し、各対のＭＯＳＦＥＴのソース同士を接続して直列に配するとともに、異なる対のＭＯＳＦＥＴのドレイン同士を接続し、前記高周波電源側の対のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記高周波電源７に接続するとともに、前記単位電極側の対のＭＯＳＦＥＴのドレインを前記単位電極３に接続し、各ＭＯＳＦＥＴのゲートとソース間に外部制御信号によって各ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を同時に制御するスイッチング素子２２を接続して構成することにより、大電力化に対応できる。この場合も、前記スイッチング素子２２によるゲート電圧が高い状態が前記ＯＮ状態に対応し、ゲート電圧がゼロ又は低い状態が前記ＯＦＦ状態に対応する。
【実施例１】
【００３５】
本発明のプラズマ処理装置を用いてＳｉウエハの犠牲酸化実験を行い、その性能を評価した。実験に用いたプラズマ処理装置は、７つの単位電極３を有するプロトタイプの装置である。集合型電極２と試料（Ｓｉウエハ）間のギャップ６は２００μｍ、電源周波数は １３．５６ＭＨｚ、単位電極３の電極部１７の底面は六角形であり、その対辺の距離は１４ｍｍとなっている。プロセスガスはＨｅ：Ｏ２＝９９：１の混合ガ スを用い、０．２ｓｌｍの流量で加工中も流し続け、投入電力は１１０Ｗとした。各単位電極３の上部に接続したＭＯＳＦＥＴを用いた前記スイッチング機構９のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、各単位電極下でのプラズマの発生を制御した。
【００３６】
比較のためにソレノイドコイルによる単位電極を駆動する従来のプラズマ処理装置を用いた。従来のプラズマ処理装置の単位電極の駆動機構以外の電極形状、ギャップ、ガス、印加電力などは、前述の条件と一致させた。図５に酸化時間と酸化膜厚の関係を示す。この結果より、本発明のプラズマ処理装置の酸化速度が格段に向上したことが分かった。
【実施例２】
【００３７】
次に、隣接する２つの単位電極３，３を用いて、高周波電圧の印加時間を一方の単位電極は１００秒間、もう一方の単位電極は６００秒間に設定して酸化実験を行い、それぞれの領域の酸化膜厚を測定した。実際には前記２つの単位電極３，３近傍の単位電極も６００秒間プラズマを発生させている。その結果を図６に示す。意図した酸化膜厚（点線）と実際に形成された酸化膜の膜厚の差は最大で０．４ｎｍであり、非常に精度良く任意の膜厚の酸化膜を形成することができたといえる。
【実施例３】
【００３８】
次に、直線上に並んで隣接する３つの単位電極３，…を用いて、高周波電圧の印加時間を順に、１０秒間、６０秒間、６００秒間に設定して酸化実験を行い、それぞれの領域の酸化膜厚を測定した。投入電力はプラズマの発生面積の変化に伴い、電力制御システム８により８２〜１１４Ｗの間で変化させた。その結果を図７に示す。このように、それぞれの単位電極において膜厚制御が可能であることが確認された。
【００３９】
（犠牲酸化法による数値制御加工の原理）
図８にＳＯＩウエハの犠牲酸化法による数値制御加工の原理図を示している。図８（ａ）は、空間的に均一なプラズマを発生させた場合にＳｉ層２５が一様に酸化され、均一な厚さの酸化膜２６が形成された状態を示す。図８（ｂ）は、空間的に制御されたプラズマを発生させた場合にＳｉ層２５の凸部が選択的に深く酸化され、凸部の位置に酸化膜２６の膜厚が厚く形成された状態を示す。図８（ｃ）は、酸化膜２６をフッ化水素酸で処理して除去する様子を示している。図８（ｄ）は、Ｓｉ層２５の凸部が選択的に除去され平坦化された状態を示している。プラズマ処理に先立ち、ＳＯＩウエハの表面形状及びＳｉ層２５の厚さを精度良く測定する必要がある。その形状、膜厚測定結果に基づき、プラズマ処理によって局所的に形成すべき酸化膜の厚さデータを作成し、該データに基づいて前記制御装置１０からスイッチング機構９へ制御信号を送るのである。
【００４０】
Ｓｉの表面に酸素ラジカルが到達すると、Ｓｉ結晶の表面から徐々に酸素ラジカルと結合して酸化Ｓｉが生成し、時間の経過とともに内部まで酸素ラジカルが拡散して行き、酸化Ｓｉ層が徐々に深くなる。Ｓｉ表面が酸素プラズマに曝されている時間の経過とともに酸化膜の厚さは厚くなるので、酸素プラズマの発生時間を制御することにより、酸化膜の厚さを制御することができるのである。つまり、被処理物４と電極の一方を固定し、他方をＸＹテーブルに保持して走査するといったことをしなくても、個別に単位電極３に印加する高周波電力を制御して面内各部のプラズマ発生時間を制御することで、プラズマ発生時間制御による数値制御加工を実現することができる。尚、プラズマ処理効果の度合いをプラズマ発生時間で制御するので、各単位電極３で常に一定条件のプラズマを発生させる必要があるため、各単位電極３に発生させたプラズマに対する投入電力が等しくなるように、投入電力の制御が必要になる。この投入電力の制御は、電力制御システム８で行うのである。
【００４１】
高性能半導体デバイス用基板として用いられているＳＯＩ(Silicon On Insulator)ウエハは、半導体素子の微細化に伴い、より薄くて均一な厚さのＳｉ層が求められている。通常、ＳＯＩウエハは、単結晶Ｓｉ表面を酸化させて酸化Ｓｉ層を作っておいたウエハと、別の単結晶Ｓｉのウエハを重ね合わせて接合した状態で１０００℃程度の熱処理で一体化した後、重ねたＳｉウエハを削って薄膜化する貼合わせ法によって製造されている。ここで、ＳＯＩウエハのＳｉ層の厚さと平坦度及び表面粗さは直接電子デバイスの性能に影響を与えるため、高い精度で加工する必要がある。ＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧には、Ｓｉ層の膜厚が影響するため、Ｓｉ層には±５％以下の膜厚均一性が要求され、２０１８年にはＳｉ層膜厚は１０ｎｍ以下、つまり膜厚均一性はＰ−Ｖ値で１．０ｎｍを下回ると予想されているが既存の手法でこの均一性を高能率に実現するのは困難である。また、最近は、水素イオン注入剥離法で直接１００ｎｍ程度のＳｉ層を形成し、その後その表面を研磨して厚さを調整したＳＯＩウエハも提供されている。しかし、何れの方法によっても、機械研磨法では研磨精度に限界があり、またその後に行うエッチングは等方的であるため空間制御性に乏しく、そのためＳｉ層の厚さと平坦度及び表面粗さを、１ｎｍを切る面内均一性で工業的に加工することはできなかった。
【００４２】
既に、本発明者は、Ｏ２ガスをＨｅガスで希釈した大気圧近傍のプロセスガスを用いて局所プラズマを発生させ、生成した酸素ラジカルでＳＯＩウエハのＳｉ層を所望厚さ分布で酸化した後、酸化部位をフッ化水素酸で溶解して除去することによりｎｍ精度で加工することができる局所プラズマによる数値制御犠牲酸化法を提案している。これによって、Ｓｉ層の厚さばらつきの修正を行うことで、極めて均一なＳｉ層を有するＳＯＩウエハを作製できることを実証している。本発明のプラズマ処理装置を用いて数値制御犠牲酸化法を実施することで、極めて高能率にＳＯＩウエハのＳｉ層の厚さ均一化が実現できると考えられる。
【００４３】
この局所プラズマによる数値制御犠牲酸化法では、従来のプラズマエッチングのようにフッ素系ガスを使用しないので、環境負荷を低減でき、加工コストも低減できる。また、従来のプラズマエッチングでは、ＳｉＦ４などの揮発性の反応生成物が発生するため、反応生成物によってプロセスガスが汚染されたり、加工装置が腐食されたりする可能性があった。そのため、プロセスガスからの反応生成物の分離除去を行う必要があり、加工プロセスが複雑化するおそれがあった。それに対して、局所プラズマによる数値制御犠牲酸化法では、フッ素系ガスを使わずに、酸素プラズマのみを用いた酸化反応であるので、加工プロセスの簡易化が可能となる。更に、最終的に酸化膜をフッ化水素酸などで除去する加工方法であるので、新しい加工面が露出ため、加工面の汚染を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  対向電極
２  集合型電極
３  単位電極
４  被処理物
５  保持部
６  ギャップ
７  高周波電源
８  電力制御システム
９  スイッチング機構
１０  制御装置
１１  絶縁性スペーサー
１２  凹段部
１３  ガス供給路
１４  ガス排出路
１５  支持部材
１６  Ｏリング
１７  電極部
１８  導電部
１９  嵌合孔
２０  ＭＯＳＦＥＴ
２１  ＭＯＳＦＥＴ
２２  スイッチング素子（リレー）
２３  ダイオード
２４  ゲート電源
２５  Ｓｉ層
２６  酸化膜
Ｖ１  放電発生のしきい値電圧
Ｖ２  放電維持のしきい値電圧
Ｖｉｎ  高周波電圧（入力電圧）
Ｖｏｕｔ  高周波電圧（出力電圧）
【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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