(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ反応装置内に配置された機械的支持部の上に基板を載置するステップであって、前記機械的支持部はプラズマの生成手段から電気的に絶縁され、前記プラズマは１００ｅＶ未満の運動エネルギーの低エネルギー電子、及び前記基板と反応する少なくとも一つの反応種を含むステップと、
前記低エネルギー電子及び前記反応種を前記基板上に向けるステップと、
前記機械的支持部の電気バイアスを前記プラズマの電位よりも低くすることによって前記基板を周期的に放電又は中和させるステップと
を含む、基板の低損傷異方性ドライエッチング方法。
【請求項２】
前記基板が、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＶ族半導体、ＩＩ−ＩＶ族半導体、金属、又はこれらの合金、超伝導体、ポリマー、及び絶縁基板の中から選ばれる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プラズマ反応装置がＤＣプラズマを発生する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記プラズマ反応装置がＡＣプラズマを発生する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記機械的支持部が電気的にバイアスされ、前記機械的支持部が前記電気バイアスを前記基板に印加する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記機械的支持部がＤＣ電気バイアスを前記基板に印加する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記機械的支持部がＡＣ電気バイアスを前記基板に印加する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記機械的支持部がＤＣ及びＡＣ電気バイアス両方を前記基板に印加する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記プラズマ内に電気的にバイアス可能な他の構造を含ませるステップを更に含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記他の構造が電気的にＤＣバイアスされる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記他の構造が電気的にＡＣバイアスされる、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記他の構造が電気的にＡＣ及びＤＣ両方でバイアスされる、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
プラズマ反応装置と、
前記プラズマ反応装置内の少なくとも一部に配置され、正に帯電したイオン及び電子を含むプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記プラズマ反応装置内に配置され、前記プラズマ生成手段から電気的に絶縁され、基板を支持する基板支持部と、
前記基板支持部と電気的に連通し、前記基板支持部上に支持された前記基板を前記プラズマの電子によりエッチングする電子エッチング手段と
を含み、
前記電子エッチング手段は、１００電子ボルト未満の運動エネルギーを持つ電子が前記基板及びそのエッチング材料に吸引されるように、前記基板支持部に正の電位をバイアスする、基板の低損傷低エネルギー電子励起異方性エッチング装置。
【請求項１４】
前記電子エッチング手段が、プラズマからの正のイオンが前記基板に吸引されるように前記基板を負の電位にバイアスする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記電子エッチング手段が、プラズマからの正のイオンにより前記基板が中和されるように一定期間前記基板を負の電位にバイアスする、請求項１３又は１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記電子エッチング手段が直流電源を含む、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記電子エッチング手段が交流電源を含む、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記プラズマ反応装置内に配置され、前記プラズマ生成手段により発生され、電子、正のイオン及び中性粒子からなるプラズマを更に含み、
前記電子エッチング手段が１００電子ボルト未満の運動エネルギーを有する電子を前記プラズマから前記基板に吸引し、前記電子が前記基板からの材料をエッチングする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記プラズマ生成手段がＡＣプラズマを発生する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記プラズマ生成手段がＤＣプラズマを発生する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
プラズマ反応装置によって発生されたプラズマの陽光柱に配置された機械的支持部上に基板を載置するステップと、
１００ｅＶ未満の運動エネルギーの低エネルギー電子、及び前記基板と反応する少なくとも一つの反応種を有する前記プラズマの陽光柱内に前記基板を曝すステップと、
冷陰極で電子を発生させるステップと、
前記プラズマ内に電気的にバイアス可能な付加構造を含ませるステップと
を含み、
前記機械的支持部は前記プラズマの生成部から電気的に絶縁される、基板を低損傷異方性ドライエッチング又はクリーニングする方法。
【請求項２２】
前記付加構造が電気的にＤＣバイアスされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記付加構造が電気的にＡＣバイアスされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記付加構造が電気的にＡＣ及びＤＣ両方でバイアスされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
プラズマ反応装置と、
前記プラズマ反応装置によって発生されたプラズマの陽光柱が１００ｅＶ未満の運動エネルギーの低エネルギー電子、及び基板と反応する少なくとも一つの反応種を含むように、前記基板を前記プラズマの陽光柱内に保持するべく構成された機械的支持部と、
前記プラズマを発生させる冷陰極と、
前記プラズマ内において電気的にバイアス可能な付加構造と
を含み、
前記機械的支持部は前記プラズマの生成部から電気的に絶縁される、基板の低損傷異方性ドライエッチング装置。
【請求項２６】
前記付加構造が電気的にＤＣバイアスされる、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記付加構造が電気的にＡＣバイアスされる、請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記付加構造が電気的にＡＣ及びＤＣ両方でバイアスされる、請求項２５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は概して基板のエッチングあるいはクリーニングに関する。より詳しくは、本発明は半導体及び絶縁体のような基板の低損傷、異方性エッチング及びクリーニングのための改良された処理方法、及び基板をプラズマ放電の陽光柱内に配置することによる改良された異方的にエッチングされるか、あるいはクリーニングされた基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
ドライエッチングは、高速電子デバイス及び光電子デバイス上に、すべてのマイクロメータとナノメータレベルを有する微細寸法の加工において絶対的に重要な処理方法である。簡単に説明すると、この種のチップ及びデバイスの製造には次の処理方法が含まれている。いくつかの半導体あるいは金属の基板が選択され、パターンがその上に載置される。パターンはその中でオープンエリアを有している。パターンを含む積み重ね構造は、ときにはマスクと呼ばれる。次にエッチング化学処理がオープンエリアを介して実行されるが、これはオープンエリアを介して露呈された下層材料が、溶解され、これによってパターンが下層又は複数の下層に転写されることを意味している。従って、マスクが剥され、元の基板は後に残されるが、ここでパターンはこれに転写される。この処理方法はパターンを材料にシルクスクリーン又はスタンピングされるのと同様である。得られるパターンは３次元構造を有している。
【０００３】
集積回路製造の初期において、ほとんどのエッチングは従来の写真技術と極めて類似した湿式化学処理を使用して行われていた。例えば、シリコン・ウェハ内の溝の配列をエッチングするために、水がまず高温、酸化環境に置かれ、また二酸化珪素の層がウェハの頂面上に成長される。次に、酸化ウェハが「フォトレジスト」と呼ばれるゼラチン状有機材料の薄い感光層で覆われる。次に、「フォトマスク」と呼ばれる写真のネガに似た材料片がフォトレジスト上に載置される。
紫外線が、このフォトマスク内の開口部を通して照射される。紫外線がフォトレジストの溶解性を変化させる。従って、紫外線で照射されたフォトレジストのエリアが、光に曝されていないエリアとは異なる溶解性を呈する。最終的に、紫外線によって増大されたその溶解性を有するフォトレジストのエリアのみを溶解させるのに溶剤が使用される。この点において、フォトマスク上の元のパターンがフォトレジスト層に転写される。人によってはこのパターン化フォトレジスト層を「ソフトマスク」と呼んでいる。
【０００４】
続いて、湿式化学フッ化水素酸（ＨＦ）ディップが上層にあるフォトレジスト内の開口部の各々を通して露呈された二酸化珪素を溶融させるのに使用される。
次に、フォトレジストが剥離される。この点において、フォトマスク上にもともと現れていたパターンは、シリコンウェハの上にある二酸化珪素層に転写される。この二酸化珪素のパターン層はときには「ハードマスク」と呼ばれる。
【０００５】
最後に、ウェハはハードマスクの開口部の下に露呈されたシリコンをエッチングする苛性カリ（ＫＯＨ）のようなアルカリエッチング内に浸漬される。ハードマスクを剥離した後、エッチングされた溝を伴う所望のシリコンウェハが残る。
【０００６】
ＫＯＨシリコンエッチングによる上述のハードマスキングステップに続く別の方法として、イオン注入又は高温拡散が任意に、ハードマスクの開口部を通してドーパント原子を導入するのに使用される。
【０００７】
上述した湿式処理ステップの類を使用する多数の他の構造的及び化学的バリエーションが可能であり、また当業者にとって周知である。しかし、各々の場合において、対応する処理方法には、湿式化学剤を使用する関連したエッチングに伴う固有の問題がある。特に、湿式化学剤がウェハに対して下方向エッチング処理がなされると同時に、下にあるマスクに対して横方向にもエッチングされる。実際に、この望ましくない横方向エッチングは、所望の垂直エッチングのほぼ同じだけ延長する傾向にある。偏見なしにすべての方向に等しく処理される湿式化学エッチングのこの傾向は、「等方性エッチング」と呼ばれる。
【０００８】
等方性エッチングは、１μｍの深さのフィルムに２０μｍ幅のラインを形成するのに適している。このような特徴のエッジに生じる不正確さは全体のデバイス構造の小さいパーセンテージであり、従って、性能を損なわせることはない。しかし、製造される構造が小さくなればなるほど、等方性エッチングは適さなくなる。業界はいわゆるサブミクロンレベルの微細寸法を備えた構造の製造に向かっており、高速コンピュータチップ、光学構造さらに電子及び光電子デバイスにとっては不可欠である。換言すれば、ハーフミクロン幅のパターンをハーフミクロン厚の材料にパターンを正確に転写するには、まっすぐ垂直な側壁、すなわち異方性エッチングが絶対に必要である。等方性エッチングは適していない。これは関連する丸みつきアンダーカットが活性デバイス材料の非常に高いパーセンテージを占めるようになり、その性能を阻害するからである。
【０００９】
現在、まっすぐな側壁を得るただ一つの方法は反応性イオンエッチングと呼ばれている技術によるものと考えられている。デバイスを湿式化学剤に浸漬するのではなく、反応ガスとプラズマに露呈する。側壁上でなく、マスクによって規定されたオープンエリアの下部で、エッチング化学反応が促進されるように、プラズマ内で形成されエネルギーを付与されたイオンが基板に対して直角方向に加速される。従って、まっすぐな側壁は反応性イオンエッチングによって達成することができる。
【００１０】
反応性イオンエッチングは異方性エッチングを提供する。しかし、イオンはアルゴン又はＣＦ３＋のような重いイオンであり、数百電子ボルトの運動エネルギーで移動する。従って、イオンは格子原子をその平常位置から変位せるのに十分な運動量を保有している。これが基板の表面を損傷し、さらにしばしば光学的及び電気的特性を不利に変化させる。
【００１１】
超小型電子、及び光電子デバイスの製造は、大きい異方性、異なる材料間の高い選択度及び最小表面損傷をもたらすドライエッチング処理が必要である。目下、イオン促進プラズマエッチング処理（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）及び電子サイクロトロン促進ＲＩＥ（ＥＣＲ））は、高いアスペクト比のナノメータスケール特性を確実に生成する。しかし、エッチングに誘起される損傷は、危険な寸法の収縮としてますます問題となる。エッチング損傷を最小にするために、プラズマ内に発生された反応種は、エッチング反応の活性化エネルギーよりも大きいエネルギー（ｅＶの端数）を有していなければならないが、原子変位に必要とするエネルギー未満（III-V族半導体においては、３から１０ｅＶ）である。これらの制限が与えられると、反応性イオン（約３００ｅＶ）で利用可能なイオン・エネルギーと電子サイクロトロン共振プラズマエッチング（約５０ｅＶ）はナノメータスケールのデバイスを製造するには理想をいえば適していない。
【００１２】
エッチングされるべきサンプルをＤＣプラズマ環境内の陽極上に載置することは、異方性エッチング処理に対する正確な制御を保証する一方で、基板への損傷を最小にし、さらに「基板の低エネルギー電子促進エッチング方法及び装置」と称する１９９６年８月２８日出願の共有譲渡された共同出願中の米国特許願第０８／７０５，９０２号が開示されている。この技術は「低エネルギー電子促進エッチング」（便宜上、ＬＥ４という）と呼ばれ、またエッチング基板をＤＣグロー放電の陽極上に載置することによって実施される。この方法は導電性及び半導体性基板にうまく機能するが、絶縁体のような非導電性基板をエッチング若しくはクリーニングするには固有の問題がある。これは上述の方法において、基板サンプルがプラズマの陽極に物理的及び電気的に接続され、これによってプラズマ内の電気回路の導電性要素となるからである。従って、明らかに、絶縁体は効果的に電流を通すことはなく、陽極上に絶縁基板を載置することは電流の流れを阻害し、また非導電性基板をエッチングするのは比能率的であり、またほとんど不可能である。
【００１３】
エッチング又はクリーニングされるべきサンプルを陽極に対して移動させることは、上述の問題をなくす一つの方法であり、さらに「ＡＣ又はＤＣプラズマ環境内で基板の低エネルギー電子促進エッチングする方法及び装置」と称する１９９７年９月１７日出願の共有譲渡された米国特許第６，２５８，２８７（Ｂ１）号（代理人整理番号第６２００２−１７５０号）が開示されている。この方法は反応種に対する促進制御装置をしてサンプルに伝えられることを許容せしめるとともに、導電性基板又は半導体性基板だけでなく絶縁基板のエッチング又はクリーニングを許容する。
【００１４】
明らかに、本発明の開示以前においては、反応性イオンエッチングによって加えられた損傷を少なくし、異方性エッチングを達成し、また導電性基板、半導体基板及び絶縁性基板に適用可能とする基板をエッチング又はクリーニングする方法が不明であった。
【００１５】
水素によってシリコン（Ｓｉ）の電子衝撃誘導異方性エッチングの方法は、Ｓ．ベプレク（Veprek）及びＦ．Ａ．サロット（Sarott）による「水素によるシリコンの電子衝撃誘導異方性エッチング(Electron-Impact-Induced Anisotropic Etching of Silicon by Hydrogen） 」と称する「プラズマ化学とプラズマ処理(Plasma Chemistry and Plasma Processing)」第２巻、第３号, ２３３頁の１９８２年の記事で論議されている。著者は低温における少し荒い面による１，０００  Å／ｍｉｎまでの成功したエッチング速度を検討している。より高い温度において、より荒いパターンが見られた。その正確な方法は不明であるが、著者はＡ．Ｐ．ウェブ（Webb）とＳ．ベプレクによる「低圧プラズマの条件化で水素による固体シリコンの反応性“Reactivity of Solid Silicon With Hydrogen Under Conditions of a Low Presure Plasma"」、ケミカル・フィジックス・レター（Chemical Physics Letters) 第６２巻、第１号、１７３頁(１９７８年)、前述の刊行物に開示された装置を使用していることが明白である。この刊行物は陽光柱内に浸漬されたサンプルを伴うＤＣグロー放電デバイスを含む装置が開示されている。陰極は酸化トリウムでコーティングされたタングステン・フィラメントを有する標準ホット・陰極である。この技術は水素によるＳｉ（１１１）面のエッチングに対して作用することは明白であるが、一方で酸素、塩素及びフッ素のような他の活性ガスを使用しては作用しない。これはホットフィラメントが直に消耗されてしまうからである。さらに、ベプレクとサロットによって開示された装置は扱いにくい。
【００１６】
「分子状水素によってＳｉ（１００）−（２ｘｌ）の低エネルギー電子ビーム促進エッチング（Low-Energy Electron Beam Enhanced Etching of Si(100)-(2X1) by Molecular Hydrogen）」と称するギリルス（Gillis）他によって、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・テクノロジー（J.Vac. Sci. Technology）Ｂ第１０（６）巻, １１月/１２月,第２７２９頁(１９９２年)で報告された他の実験は、電子銃によって生成された低エネルギー電子（２００−１０００  ｅＶ）で充満するＳｉを対象としている。著者はＳｉ面に対する低い損傷で約１００Å／ｍｍ  の率でのエッチングを報告している。本発明者による他の文献には、「水素／ヘリウムＤＣプラズマによるＳｉ（１００）の低エネルギー電子促進エッチング（Low-Energy Electron Enhanced Etching of Si(100) in Hydrogen/Helium Direct）」(Ｇ．ギリルス等、アプライド・フィジックス・レター（Appl. Phys. Lett.）, 第６６巻１９号,２４７５頁(１９９５年)；「塩素／ヘリウムＤＣプラズマによるＧａＮ  の低エネルギー電子促進エッチング」（ギリルス  他、アプライド・フィジックス・レター,第６８巻第１６号、２２５５頁(１９９６年)及び「塩素ＤＣプラズマによるＧａＮ  の低エネルギー電子促進エッチング」（ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ササイアティー（J.Electrochem. Soc. ）１１／９６に発行予定）がある。これらの刊行物はここではそっくりそのまま参照例として取り入れる。
【００１７】
Ｈ．ワタナベ及びＳ．マツイは、アプライド・フィジックス・レター、第６１巻、１９９２年、３０１１−３０１３頁において、彼らが電子ビーム（ＥＢ）アシスト・ドライエッチングと呼んでいる処理方法を達成するための関連するアプローチを開示している。彼らは多孔性グリッドを使用してＥＣＲプラズマから電子の「シャワー」を抽出し、これを基板の方に向ける。しかし、彼らはＥＣＲソースをアルゴン・ガスで作用させ、次に分離ガスリングノズルを抽出グリッドと基板間に挿入している。台所レンジにある普通のガスバーナーといくぶん似ているこのガス・リングは、エッチング基板上に反応ガス（彼らの場合塩素）を分布させている。彼らはＤＣバイアスのみを基板に印加し、電子収集効率とエネルギーを増大させている。彼らの報告は半導体基板についてのみのに終わっており、絶縁体についてはない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
（発明の開示）
本発明は反応性イオン促進エッチングとは反対の低エネルギー電子促進エッチング（ＬＥ４）を包含し、また、プラズマの陽光柱内で導電性基板、半導体性基板及び絶縁性基板を含むすべての基板を効果的に異方性エッチング及び／又はクリーニングを許容する改善に関する。エッチングの適用においては、処理はまっすぐな側壁に対して行われ、基板を損傷せず、またクリーニングの適用においては、基板物質を損傷したり、又は除去せずに表面の汚染物質の除去を許容する。上述の反応性イオンとは反対に、本発明に使用される低エネルギー電子は約１００電子ボルト（ｅＶ）未満の運動エネルギー（ＫＥ）で、好ましくは約２０ｅＶ未満で移動する。電子の質量がイオンの質量よりもずっと小さく、電子は本質的に運動量を基板に搬送しない。従って、電子は基板に損傷を与えることはない。
【００１９】
さらに、本発明はサンプル基板に与えられる電子及び中性種粒子の束（フラックス）又はレートの変動、及びサンプル基板に与えられるこれらの粒子の到達エネルギーの変動を可能にすることによって、エッチング又はクリーニング処理に対する相当高度な制御を可能にする。これはプラズマに関するサンプルの近傍に局部電界を確立することによって達成され、従って、局部電界によって確立された電位を関知するどのような帯電粒子の種も、プラズマから粒子を抽出又は抑制（遅延）の可能性に応答する。これはサンプルの近傍で行われるので、本発明はサンプルに到達するフラックスと粒子のエネルギーパラメータに対する正確な制御を許容する。
【００２０】
本発明は、イオン促進処理の代わりに、低エネルギー促進エッチング（ＬＥ４）を使用して低損傷を提供する。この処理方法において、基板はＤＣ又はＡＣプラズマ放電によって発生されたプラズマ・フィールドの陽光柱の構造部材、すなわち、電気的に中性部分に支持される。これが基板を電子と反応種の中性及びイオン化部分に露呈させる。別の実施形態において、導電性基板はｄｃプラズマ反応装置の陽極によって支持されている。ｄｃプラズマ反応装置の陽極によって支持されたサンプルを有する実施形態のほとんどすべてにおいて、プラズマ・フィールドはＤＣプラズマ又はＡＣプラズマである。
【００２１】
ＤＣ放電の陽極上の基板に到達する電子及び負性イオンのエネルギーは反応ガスのイオン化電位よりも大きくない値に制限される。すなわち、この制限より大きいエネルギーはガス相内の非弾性衝突によって効果的に消失される。このような基本的な制限は、ＲＦプラズマ及び超音波プラズマ内で生成された正イオンに課されるものはない。ｄｃプラズマ反応装置に対して、約０．５−２ｋＶの電圧が陰極と陽極間に印加され、陽極に到達する約１００ｅＶ未満の、又は好ましくは約２０ｅＶ未満の運動エネルギーを有する電子中でグロー放電が発生される。
【００２２】
一つの観点において、本発明はプラズマ反応装置によって発生されたプラズマの陽光柱の機械的支持部上に基板を載置するステップと、低エネルギー電子と基板と反応するガス状種を含むプラズマの電気的に中性部分を基板に作用させるステップとを含む基板の低損傷異方性ドライエッチング又はクリーニングする方法を包含している。
【００２３】
基板は、IV族半導体、III-V族半導体、II-IV 族半導体、酸化物、窒素、金属、合金又はこれらの混合物あるいは絶縁性基板である。反応種は基板と反応し、また装置の温度と流れの内で揮発する。使用される一般的な反応種は水素、ハロゲン、インターハロゲン化合物、ハロゲン化水素、揮発性有機化合物及びアルゴン及びヘリウムのような希ガスである。反応種は所望の結果に依存して選択される。例えば、基板のクリーニングが所望ならば、選択された反応種が除去されるべき所望された特定汚染物を除去するものとなる。基板のエッチングが所望されれば、反応種は基板材料の所望量を除去するその能力に基づいて選択されなければならない。本発明の概念はａｃプラズマ又はｄｃプラズマに等価に適用できる。本発明の３つの実施形態を論じる。
【００２４】
陽極と陰極のような導電体を使用してプラズマ流を発生させるプラズマ反応装置の場合において注意しなければならない重要なことは、ほとんどのバリエーションで、機械的支持部は、プラズマ流を発生又は維持するのに電極として使用されることはなく、第１の好ましい実施形態において、エッチングされるべきサンプルのための機械的支持部として単に使用され、次の実施形態においてはプラズマの発生又は維持を包含した電極としてではなく、その一つは機械的にサンプルを支持し、また電気的バイアスをその上に休止しているサンプルに印加する。
【００２５】
さらに、複数のサンプル基板がエッチング又はクリーニングのためにプラズマ反応装置内に配置される。これらの多重サンプルの空隙による分離は、反応種をしてサンプルを同時にエッチング又はクリーニングし、従って、多数のサンプルの同時処理が可能である。
【００２６】
外部電圧が機械的支持部、従って、サンプルに印加されていない第１の好ましい実施形態において、サンプルはｄｃプラズマの場合に、プラズマの本体内の「プラズマ電位」に対して負である「浮遊電位」を達成する。
【００２７】
ｄｃプラズマ反応装置に関する第２の好ましい実施形態において、プラズマ電位に関して外部の電気的バイアスが機械的支持部、従って、サンプルに印加される。機械的支持部に印加されたこの外部の電気的バイアスは、ｄｃ又はａｃ特性あるいはこれら二つの合成したものとなる。最終的にエッチング処理を停止させてしまう負電位の確立を阻止するために、サンプルはプラズマ電位よりわずかに下に外部バイアスを低下させることによって周期的に「放電」あるいは「中和」させなければならない。これはプラズマから到達する正イオンの十分な数にして、蓄積負電荷を相殺し、一方でイオン衝撃損傷を与えるにはあまりにも小さ過ぎるエネルギーに維持する。従って、機械的支持部上の基板は調整された正電位を受けるようにしなければならない。
【００２８】
第３の好ましい実施形態において、電位の影響を受ける可能性のある付加的な機構、例えばグリッド又は透過性キャップがプラズマ内に配置される。この付加的機構は、サンプルを支持するのに使用された機械的支持部の同様の形態で電気的にバイアスされる可能性のあるものである。この付加的機構は一般的に、エッチングされるべきサンプルの近傍でプラズマ内に配置される。この機構への電気的バイアスを変化させることによって、サンプルに印加される帯電種、すなわち、電子及びイオンのフラックスとエネルギーに対するさらなる制御が達成される。プラズマ源がこれらの機構に対して負にバイアスされると、電子の広範なビームあるいはストリームがプラズマから基板に向かって抽出される。電子のエネルギーはａｃ電源上のｄｃバイアスの大きさによって制御することができる。
【００２９】
導電性基板及び半導体性基板をエッチングしクリーニングするためのこの第３実施形態の変形例において、サンプルは共有譲渡された出願中の「基板を低エネルギー電子促進エッチングする方法及び装置」と称する１９９６年８月２８日出願の米国特許願第０８／７０５，９０２号に開示されているようにｄｃプラズマ反応装置の陽極上に載置される。しかし、その改良として、上述した付加的構造がサンプル近傍中のプラズマの陽光柱内に配置され、従って、サンプルに付与される帯電種のフラックスとエネルギーに対する改良された正確な制御が許容される。
【００３０】
ａｃプラズマ反応装置に関して本発明の処理方法はｄｃプラズマ反応装置に関する説明と同様である。種々の反応装置の形態間の物理的差異のために、変形例が必要であることは詳細に記述されていない。機械的支持部と付加的構造はａｃ及びｄｃプラズマ反応装置に等価に適用できる。さらに、本発明の利点は共振マイクロ波反応装置及び誘導結合プラズマ反応装置のような種々のａｃプラズマ反応装置形態に等価に適用可能である。
【００３１】
上述し、またａｃプラズマ反応装置に関する第２の好ましい実施形態において、プラズマ電位に関して外部電気的バイアスが機械的支持部に、従って、その上に載置されたサンプルに印加される。機械的支持部に印加される外部の電気的バイアスは、ｄｃ又はａｃ特性、あるいはこれら二つを合成した特性となる。
【００３２】
本発明はまた基板の異方性エッチング又はクリーニングのための装置を含んでいる。いずれの基板、それが導電性、非導電性又は絶縁性であってもそのエッチングあるいはクリーニングは、本発明の低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング方法及び装置の概念を使用して達成することができる。
【００３３】
この装置はプラズマを発生するための当業者にとって周知のチャンバを含んでいる。本発明を実行するのに使用される装置は、ｄｃ又はａｃプラズマ内のいずれで使用されても同じである。プラズマ室内にはエッチングあるいはクリーニングされるべきサンプルを物理的に支持するための機械的支持部が配置されている。ほとんどすべての可能な形態において、プラズマ流を発生させる陽極と陰極のような導電体を使用するプラズマ反応装置の場合において、機械的支持部は電極として使用してプラズマ流を発生あるいは維持できず、第１の好ましい実施形態において、エッチングされるべきサンプルのための機械的支持部として使用でき、また次の実施形態においては、プラズマの発生あるいは維持することに包含される電極としてではなく、電気的バイアスをその上に載置されたサンプルに付与するものであることに注意することが重要である。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
第１の好ましい実施形態、すなわち、機械的支持部、従って、サンプルに印加される外部電圧を有していない実施形態において、サンプルはプラズマの陽光柱内の機械的支持部によって保持され、その浮遊電位に達成されることを許容する。基板はこの時点で、適切な反応種をプラズマ室に導入することによって所望のようにエッチングあるいはクリーニングすることができる。
【００３５】
第２の好ましい実施形態において、機械的支持部はプラズマ電位に関して電気的にバイアスすることができる。これは機械的支持部をして電気的バイアスを、その上に載置されたサンプルに付与せしめる。機械的支持部に印加される電気的外部バイアスはｄｃ又はａｃ特性か、あるいはこれら二つの合成したものであり、基板に付与される反応種のフラックス及びエネルギーに対する改善された制御を許容する。
【００３６】
第３の好ましい実施形態において、電位の影響を受ける可能性のある付加的な機構、例えばグリッド又は透過性キャップがプラズマ内に配置される。この付加的機構は、サンプルを支持するのに使用された機械的支持部の同様の形態で電気的にバイアスされる可能性のあるものである。この付加的機構は一般的に、エッチングされるべきサンプルの近傍でプラズマ内に配置される。この機構への電気的バイアスを変化させることによって、サンプルに印加される帯電種、すなわち、電子及びイオンのフラックスとエネルギーに対するさらなる制御が達成される。
【００３７】
導電性基板及び半導体性基板をエッチングしクリーニングするためのこの第３実施形態の変形例において、サンプルは共有譲渡された出願中の「基板を低エネルギー電子促進エッチングする方法及び装置」と称する１９９６年８月２８日出願の米国特許願第０８／７０５，９０２号に開示されているようにｄｃプラズマ反応装置の陽極上に載置される。しかし、その改良として、上述した付加的構造がサンプル近傍中のプラズマの陽光柱内に配置され、従って、サンプルに付与される帯電種のフラックスとエネルギーに対する改良された正確な制御が許容される。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の利点は、導電性、半導体性又は絶縁性基板の低損傷サブミクロン異方性エッチング又はクリーニングが達成されることである。
【００３９】
本発明の他の利点は、多様な反応種を使用する多様な基板に適用可能なことである。
【００４０】
本発明の他の利点は、基板に付与される帯電種のフラックスとエネルギーに対して制御の改善された度合いを許容することである。
【００４１】
本発明の他の利点は、サンプルを陽極に関して移動することによって、電流はもはやサンプルに直接流れることはなく、従って、サンプルが電極に配置されたときに発生するであろう同様な帯電損傷を回避することである。
【００４２】
本発明の方法及び装置の他の利点は、装置の組み立てと、操作がかなり簡単になることである。
【００４３】
本発明の方法及び装置の他の利点は、透過性壁の中空陰極が低圧で低いエネルギー電子の高いフラックスを発生できることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明の方法及び装置の他の特徴及び利点は、図面と詳細な説明を実験したときに、当業者にとって明白となろう。
【００４５】
本発明は図面を参照することで、よりよく理解できる。図面は必ずしも縮尺しておらず、その代わりに本発明の原理を明瞭にするために誇張している。
【００４６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
好ましい実施形態の次の説明において、本発明の低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング方法及び装置は、ｄｃプラズマ反応装置及びａｃプラズマ反応装置両者に対して等価に適用可能である。種々の反応装置形態間の物理的な差異のために変形例の必要性が熟考され、また詳細には検討しない。さらに、本発明の特典は、例えば、共振マイクロ波キャビティ反応装置及び誘導結合プラズマ反応装置のような種々のａｃプラズマ反応装置形態に等価に適用可能である。
【００４７】
導電体を使用してプラズマフラックス、従って、このフラックス内の陽光柱から所望の低エネルギー電子を発生させるすべての実施形態において、冷陰極は、透過性のメッシュ状あるいは穿孔されて形成された中空陰極であり、一般的な堅牢緻密な壁ではなく普通、透過性壁と呼ばれる。この陰極はステンレススチールのような透過性導電材料の側壁でシリンダー状に形成され、その一端は開閉されるようになっているか、開口端を有している。陰極は陰極取り付けポストに連結され、また電力供給部に接続されている。陰極は複数の網状側壁を備え、各々電力供給部に接続されている。この陰極の使用により、低圧及び低温における低エネルギー電子の大きいフラックスの発生を許容する。説明に基づいて製作された陰極は、共有譲渡された出願中の「ガス放出デバイス内の作動電圧を低下させる装置及び方法」と称する１９９７年６月２３日出願の米国特許願第０８／３９９，３４１号に開示されている。
【００４８】
本発明の概念を実行するために適したエッチング装置の好ましい実施形態は、図１に全般的に１０で示す。この装置は、当業者に公知であるプラズマを投射し、維持し、また収容するのに適したプラズマ室１１を含んでいる。プラズマ室１１内には、正に帯電したイオン３４、中性種３６及び負に帯電した電子３７を含む種々の粒子種が滞留している。プラズマ発生装置自体は、低エネルギー電子を発生し、真空を維持し、帯電した種及び中性種を導入し、さらに当業者において知られているプラズマ処理をモニターし調整するための種々の手段を含んでいるが、明瞭にするために図１では省略している。
【００４９】
ＤＣプラズマ反応装置は、ｄｃ電源がプラズマ流を投射するのに使用されるものである。ＡＣプラズマ反応装置は、ａｃ電源がプラズマ流を投射するのに使用されるものである。ＡＣプラズマ反応装置は、例えば電極（陽極と陰極）がプラズマ流を発生させるのに使用される従来のものか、又は共振マイクロ波キャビティあるいは誘導結合プラズマ発生装置のような無電極プラズマ発生装置である。
当業者にとって知られているこれらの及び他のプラズマ発生源は、本発明の概念を実行するのに使用することができ、また実際に本発明はいずれのｄｃ又はａｃプラズマ反応装置を使用しても同様の結果を得ることができる。
【００５０】
図１に示したように、装置１０はサンプル支持装置８０を含み、この装置は他の要素内に基板サンプル１６を電気的に中性の陽光柱１５内の適切な位置に支持するように設計された機械的支持部１２を含んでおり、この陽光柱はプラズマ室１１内に収容されたプラズマフラックスの一部をなしている。陽光柱１５はプラズマ室１１内から放出されるプラズマ放電部の一部であり、また等数のイオン３４と電子３７を含んでおり、従って、当業者が陽光柱と普通呼んでいる電気的に中性領域を生成している。サンプル１６は導電性基板、半導体性基板又は絶縁性基板である。
【００５１】
接続部１８を介して機械的支持部１２がＡＣ電源１９に電気的に接続されている。ＡＣ電源１９は接続部２２を介してＤＣ電源２６に接続され、次にこれがライン２９によってアース３４に接続されている。
【００５２】
本発明の第１の好ましい実施形態において、機械的支持部１２がプラズマ室１１の陽光柱１５内の適切な位置にサンプル１６を、ＡＣ電源１９とＤＣ電源２６と不作動状態で機械的に保持するのに使用されている。本実施形態において、外部電圧は機械的支持部１２にはなにも印加されておらず、従って、ｄｃプラズマ及びａｃプラズマ両者がプラズマの本体の「プラズマ電位」に関して負性の場合において、サンプル１６は「浮遊電位」を達成している。機械的支持部１２に印加される電圧の不在の場合において、浮遊電位とプラズマ電位間の差が中性的にイオン３４をプラズマからサンプル１６に吸引する。プラズマの本体において、電子とイオンの密度は平均して等しい。従って、外部電界がなにも存在しないか、又は摂動あるいは外乱の近傍にあるとき、プラズマは等電位にある。これは普通プラズマ電位と呼ばれ、またときどき空間電位と呼ばれる。プラズマ内に配置されたサンプル１６のような電気的に絶縁された本体は、最初電子とイオンによって衝撃を受ける。電子の電流密度はイオンのそれよりもずっと大きいので、本体は非常に早く過度の負電荷を収集する。これが電子を反発し、イオンを吸引する。電子フラックスが減少し、これによって本体上のイオン・フラックスとちょうど平衡する。この点において、本体は過度な電荷、電界及び電位の安定状態に到達する。到達した電位は、浮遊電位と呼ばれ、また電子を反発するので、プラズマ電位よりも低い。ｄｃプラズマの場合に、浮遊電位とプラズマ電位が、アースされた陽極に対して負である。標準電位（例えば、プラズマがａｃ誘導結合によって生成されたとき）の不在時において、プラズマ電位と浮遊電位の差のみが意味を有する。
【００５３】
図１をなおも参照して、第２の好ましい実施形態において、プラズマ電位に対して外部電気バイアスが、機械的支持部１２に、従って、サンプル１６に印加される。ＡＣ電源１９とＤＣ電源２６が個々に、又はまとめて使用され、ＡＣ、ＤＣかＡＣとＤＣの組み合わされた電気的バイアスが機械的支持部１２に加えられる。増大する正外部電圧の機械的支持部１２への印加が、正味電流を減少させ、外部電圧がちょうど浮遊電位と一致したときに、ゼロになる。この点で、正イオン３４の電流が電子３７の電流と一致し、これを補償する。正外部電圧が浮遊電位よりも大きい値に増大すると、プラズマから機械的支持部１２への正味電流をして漸進的に負にせしめられ、外部電圧がプラズマ電位よりもより正になると、機械的支持部１２が正イオン３４を反発し、電子３７を吸引する。
【００５４】
これらの到来電子３７のほとんどが、サンプル１６に衝突し、その運動エネルギーのいくぶんかがサンプルに吸収され、またプラズマの本体に反射して戻る。
電子のいくらかが基板面に付着し、これによって負電荷がこれに伝送される。サンプル１６が絶縁体であれば、この表面電荷を排出することができず、さらなる電子３７の到来を阻止することのできる負電位を発生させるのだけ十分に蓄積され、これによってエッチングあるいはクリーニング処理が停止される。これを阻止するために、サンプル１６は機械的支持部１２を介して供給される外部バイアスをプラズマ電位よりわずかに低くすることによって周期的に「放電」あるいは「中和」させる必要がある。これはプラズマから到来する正イオンの十分な数を、蓄積した負電荷と相殺させ、他方でイオン衝撃損傷の加わるのをできる限り少なくなるようにそのエネルギーを維持する。従って、機械的支持部１２上の基板サンプル１６には、接続部１８から機械的支持部１２に供給される調整された正電圧が加わることになる。この外部バイアスが「ハイ」になったときに、ＬＥ４が発生する。この外部バイアスが「ロウ」のときに、基板上の負電荷が中和される。正バイアスの大きさは正イオン３４を反発するのに十分であり、また電子３７に十分なエネルギーを付与してＬＥ４のための閾値を超えるのに十分でなければならない。バイアス・パルスの周波数は、サンプル１６を十分しばしば放電させることによって負電荷の確立を阻止する（ＬＥ４を停止する）のに十分でなければならない。必要な振幅と周波数、さらに適切な波形（例えば、方形波対正弦波）は、基板と反応ガスの組み合わせに対して経験的に決定する必要がある。反応ガスは、所望の結果に依存して、すなわち、サンプルがエッチングされるかクリーニングされるかによって選択され、プラズマ室１１に導入され、クリーニングされる場合は、見つかった汚染物が除去される。
【００５５】
なおも図１に戻って、第３の好ましい実施形態において、電位を付与することができるグリッド、又は透過性キャップである付加構造１４がプラズマ室１１内に配備されている。付加構造１４は、上述した冷陰極に関して説明したものと同様の態様で製造することができる。一実施形態において、付加構造はサンプル１６の近傍に配置されたグリッドであり、また図５に示したサンプル支持装置８０に関して次に詳細に説明する。その付加的実施形態において、絶縁性非透過性リング２３が機械的支持部１２に、またサンプル１６の回り付加される。リング２３は、電子とイオンのジョイント１３、１３ａへの侵入を阻止するようにして機械的支持部１２と付加構造１４に結合される。この機構は、サンプル１６に到達するどの電子又はイオンも付加構造１４を通過することを保証する。これについては図５ａに示したサンプル支持装置８０に関して次にさらに詳しく説明する。
付加構造１４は、サンプル１６を支持するのに使用された機械的支持部１２の態様と同様の態様で電気的にバイアスされることが可能なものである。付加構造１４は、エッチングされるべきサンプル１６の近傍にプラズマの陽光柱内に配置される。付加構造１４は接続部１７を介してＡＣ電源２１に接続される。ＡＣ電源２１は接続部２４を介してＤＣ電源２８に接続され、これが接続部３１を介してアース３２に接続されている。付加構造１４への電気的バイアスを変化させることによって、サンプル１６に付与される帯電種、すなわち、電子３７及びイオン３４のフラックスとエネルギーに対するさらなる制御が達成される。より詳しく説明すると、電子３７とイオン３４のプラズマからサンプル１６への抽出及び抑制（遅滞）が、サンプルに付与されるエッチング又はクリーニングの質をさらに高めるために制御される。サンプル１６を保持している機械的支持部１２に印加可能な電気的バイアスと同様に、ＡＣ電源２１とＤＣ電源２８によって付加構造１４に印加可能な電気的バイアスは、本質的にａｃ又はｄｃ、あるいはこれら二つの組み合わせである。
【００５６】
この第３の好ましい実施形態において、電気的に中性の反応種３６は、電子３７と同一方向（コリニア）の反応性ビームあるいは反応性流れを形成する。表面に到達する低エネルギー電子３７と反応種３６のこの組み合わせが、基板のＬＥ４を達成する。
【００５７】
これらの到達電子３７のほとんどがサンプル１６に衝突し、その運動エネルギーのいくらかがサンプルに吸収され、またプラズマの本体に反射される。その内のいくらかが基板面に付着し、これによって負電荷がこれに伝送される。サンプル１６が絶縁体であれば、この表面電荷を排出することができず、さらなる電子３７の到来を阻止することのできる負電位を発生させるのだけ十分に蓄積され、これによってエッチングあるいはクリーニング処理が停止される。これを阻止するために、サンプル１６はＡＣ電源１９を使用して接続部１８にａｃ外部バイアスを周期的に印加して「放電」あるいは「中和」させる必要がある。このバイアスの正振れ（スイング）中、電子３７はサンプル１６に吸引され、ＬＥ４が発生する。すなわち、負振れ中、蓄積された負の表面電荷が放出され、事実上基板面が中和される。
【００５８】
プラズマの陽光柱と接触する付加構造１４に関して正バイアスをプラズマ源に印加することで、プラズマからの電子のビームの抽出が可能になる。プラズマの陽光柱にある基板の低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング方法及び装置が、プラズマから電子のビームを抽出する。別の方法として、ａｃプラズマ源の電子抽出バイアスが調整され、これによってその正スイング中、正イオン（電子の代わりに）が、電源から抽出でき、また基板にビーム状照射され、蓄積された負電荷の中和を実行する。正バイアスの大きさが、基板に対するイオン衝撃損傷のために十分なエネルギーをイオンに付与するのに低過ぎるくらい低く保持される。
【００５９】
ここで図２を参照して、導電性基板と半導体性基板をエッチング又はクリーニングするためのｄｃプラズマ環境に適用できるこの第３の実施形態の変形例において、サンプル１６は、「基板の低エネルギー電子促進エッチング方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR LOW ENERGY ELECTRON ENHANCED ETCHING OF SUBSTRATES）」と称する１９９６年８月２８日出願の共有譲渡された共同出願中の米国特許願第０８／７０５，９０２号に開示されたものと同様の形態にあるｄｃプラズマ反応装置５０の陽極５１に載置されるが、その改良として、サンプル１６と付加構造１４がプラズマ放電の陽光柱１５内に配置される。上述したように付加構造１４をＡＣ電源２１とＤＣ電源２８を使用して電気的にバイアスすることによって、サンプル１６に付与される帯電種のフラックスとエネルギーに対する改良された正確な制御が達成される。陽極５１に加えて、ｄｃプラズマ反応装置５０は陰極５６とｄｃ電源５４を含んでいる。ＤＣ電源５４がライン５７を介して陰極５６に、またライン５８を介して陽極５１にそれぞれ接続されている。さらに陽極５１はアース５９に接地されている。図２の残りの要素の動作は図１に関して説明したものと同様である。
【００６０】
図３はｄｃプラズマ発生環境にある本発明を示し、また本発明の概念を使用するｄｃプラズマ反応装置６０を示す。ＤＣ電源５４が、当業者にとって知られている陰極５６と陽極５１を使用してプラズマ室１１内でｄｃプラズマを発生する。これについては詳細に説明しない。室１１内のプラズマは、図１に関して説明した陽光柱１５を含んでいる。陽光柱１５はプラズマの電気的に中性部であり、ここにサンプル１６がエッチング又はクリーニングされるために配置される。本発明の動作は図１に関する動作と同様である。
【００６１】
陰極５６がプラズマ室１１内に取り付けられている。陰極５６は冷陰極であるのが好ましく、ときどき電界放出陰極と呼ばれ、熱を印加することなしに機能することを意味している。陰極は外部電源５４を使用して作動され、直流（ＤＣ）電圧が陰極５６と陽極５１間に印加される。室がガスを収容しているので、室はＤＣグロー放電管又はＤＣプラズマ反応装置として機能する。陰極は当業者において知られているような標準的冷陰極であり、又は共有譲渡された出願中の「ガス放出デバイス内の作動電圧を低下させる装置及び方法（APPARATUS AND METHODFOR REDUCING OPERATING VOLTAGE IN GUS DISCHARGE DEVICES）」と称する１９９７年６月２３日出願の米国特許願第０８／３９９，３４１号の教示に基づいて構成されたものが好ましい。
【００６２】
図４は本発明の低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング方法及び装置の概念を用いたａｃプラズマ反応装置７０を示す図である。ＡＣプラズマ反応装置７０は誘導結合されたプラズマ反応装置を示し、またａｃプラズマ反応装置の単なる一つのタイプを示したものである。本発明はどのａｃプラズマ反応装置にも等価に適用可能であり、図４に示したａｃ反応装置は図示の目的のみで使用される。ＡＣ電源７１は、接続部７４と７６を介して電力をコイル７２に供給する。ＡＣ電源７１とコイル７２はプラズマ室１１内でａｃプラズマを生成し、陽光柱１５を含むプラズマは当業者によって知られているように電気的に中性である。本発明の動作は図１に関する説明と同じである。
【００６３】
図５は機械的支持部１２と付加構造１４を含むサンプル支持装置８０の詳細な概略図である。接続部１７を介してＡＣ電源及びＤＣ電源に接続され、また電位を付与することのできる付加構造１４が、プラズマ室１１内に、陽光柱１５（明瞭にするために省略）に、かつ、サンプル１６の近傍に配置されている。付加構造１４は上述した冷陰極に関して説明したものと同様の方式で製造することができ、帯電種及び中性種の通過をまったく阻害しないことを促進させるために透過性である。
【００６４】
図５ａは機械的支持部１２と付加構造１４を含むサンプル支持装置８０の詳細な斜視図である。接続部１７を介してＡＣ電源及びＤＣ電源に接続され、また電位を付与することのできる付加構造１４が、プラズマ室１１内に、陽光柱１５（明瞭にするために省略）に、かつ、サンプル１６の近傍に配置されている。付加構造１４は上述した冷陰極に関して説明したものと同様の方式で製造することができ、帯電種及び中性種の通過をまったく阻害しないことを促進させるために透過性である。本実施形態において、絶縁性非透過リング２３がサンプル１６を取り巻くようにして機械的支持部１２に載置されている。リング２３は、電子及びイオンが接合部１３と１３ａに侵入するのを阻止するようにして機械的支持部１２と付加構造１４に結合されている。この構成は、サンプル１６に到達する電子又はイオンが付加構造１４を通過することを保証する。
【００６５】
多数の修正例が上述したように、本発明の原理から実質的に逸脱することなく本発明の好ましい実施形態を実行できることは当業者において明白である。このような修正例はすべて、特許請求の範囲に規定した本発明の範囲内に入ることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング装置の３つの好ましい実施形態を示すプラズマ反応装置と、プラズマの陽光柱内への基板の配置を示す概略図である。
【図２】低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング装置の別の実施形態を示すｄｃプラズマ反応装置と、プラズマの陽光柱内への基板の配置を示す概略図である。
【図３】図１の低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング装置の３つの好ましい実施形態を示すｄｃプラズマ反応装置を示す概略図である。
【図４】図１の低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング装置の３つの好ましい実施形態を示すａｃプラズマ反応装置を示す概略図である。
【図５】図１の低エネルギー電子促進エッチング及びクリーニング装置のサンプル支持装置の詳細な概略図である。
【図５ａ】図５のサンプル支持装置の別の実施形態の詳細な概略図である。
【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５ａ】
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