(57)【要約】【課題】プラズマ発生室に誘導結合方式で放電プラズマを発生させるようにしたエッチング装置１において、主としてラジカルでエッチングが進行する場合にエッチング速度が向上するようにする。【解決手段】誘導放電式でプラズマが発生されるプラズマ発生室３ａ及びこのプラズマ発生室に連通し、エッチング処理すべき被処理物Ｓが配置される待機室３ｂとを有する真空チャンバ３と、プラズマ発生室に所定のエッチングガスを導入するガス導入手段９とを備える。そして、エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが行われる場合、プラズマＰ発生領域に被処理物Ｓが存するように、待機室に配置された被処理物の位置を変更する位置変更手段１０、１２を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導放電式でプラズマが発生されるプラズマ発生室及びこのプラズマ発生室に連通し、エッチング処理すべき被処理物が配置される待機室とを有する真空チャンバと、プラズマ発生室に所定のエッチングガスを導入するガス導入手段とを備えたエッチング装置において、
前記エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが行われる場合に、前記プラズマが発生した領域に被処理物が存するように、前記待機室に配置された当該被処理物の位置を変更する位置変更手段を設けたことを特徴とするエッチング装置。
【請求項２】
前記位置変更手段は被処理物が配置される基板ステージであり、この基板ステージを、プラズマ発生室と待機室との間で往復動する駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のエッチング装置。
【請求項３】
前記基板ステージは、高周波電源に接続され、浮遊電極となって負のバイアス電位となる基板電極を備えることを特徴とする請求項２記載のエッチング装置。
【請求項４】
前記基板ステージの往復動方向の延長上で当該基板ステージに対向させて前記プラズマ発生室に設けたターゲットと、このターゲットに高周波電力を投入する他の高周波電源とをさらに備え、スパッタリングによりエッチング保護膜を形成する際に当該基板ステージを移動させ、前記プラズマが発生した領域に被処理物が存するようにしたことを特徴とする請求項２または請求項３記載のエッチング装置。
【請求項５】
筒状のプラズマ発生室内でその外側に設けた磁場コイルで形成した磁気中性線に沿って、高周波電源を介してアンテナコイルに交番電場を加え、当該プラズマ発生室内に放電プラズマを発生させると共に所定のエッチングガスを導入し、基板ステージに配置された被処理物をエッチングするエッチング方法において、
前記エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが進行する場合、前記プラズマの発生領域に被処理物が存し、主としてイオンでエッチング進行する場合、プラズマ発生領域から離間するように当該被処理物の位置を切り換えることを特徴とするエッチング方法。
【請求項６】
主としてラジカルでエッチングが進行する場合、前記真空チャンバ内の作動圧力を６Ｐａ以下に設定することを特徴とする請求項５記載のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチング装置及びエッチング方法に関し、より詳しくは、超小型電機システム（ＭＥＭＳ）の製造などにおいてシリコン基板に深孔（深溝）を形成することに用いられるドライエッチング装置及びドライエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のエッチング装置としては、真空排気手段を設けた真空チャンバを有し、この真空チャンバを、誘導放電式でのプラズマの生成を可能とする上部のプラズマ発生室と下部の基板処理室（待機室）とから構成し、プラズマ発生室に所定のエッチングガスを導入するガス導入手段を設けたものが知られている（例えば、特許文献１）。そして、第１高周波電源を介して主放電用の電力を供給して誘導放電式でプラズマ発生室内に放電プラズマを生成すると共に、第２高周波電源を介して主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させるためにプラズマ発生室と対向させて設けた基板配置部たる基板電極に基板バイアス用の電力を供給している。このようなエッチング装置では、プラズマ発生室内に導入されたエッチングガスのうちプラズマで分解されたイオンやラジカルが被処理物に照射され、当該被処理物との反応によりガス化することで被処理物がエッチングされていく。
【０００３】
ここで、エッチングガスとしてフッ素含有ガスを用いて上記装置によりエッチングする場合、エッチングすべき被処理物がＳｉＯ２等であると、ＳｉＯ２がフッ素ラジカルと反応し難いため、主としてプラズマで分解されたフッ素イオンによりエッチングが進行する（異方性エッチング）。
【０００４】
それに対して、被処理物がＳｉ等である場合、常温ではＳｉとフッ素ラジカルとの反応が自発的となって反応し易いため、主としてフッ素ラジカルによりエッチングが進行する（等方性エッチング）。このため、フッ素含有ガスを用い、シリコン基板に横方向の広がりを抑制して垂直な側壁をもって深さ方向に深く延びる孔（溝）を形成するには、等方性エッチングを抑制することが必要となる。
【０００５】
そこで、上記特許文献１記載のエッチング装置において、プラズマ発生室の天板内側に、基板ステージに対向させてフッ素樹脂材や珪素材製のターゲットを配置し、当該ターゲットに高周波電力を間欠的に印加して当該ターゲットをスパッタリングすることで、被処理物のエッチング工程と、エッチングにより形成された孔等へエッチング保護膜を形成するスパッタリング工程とを順次繰り返すことが特許文献２で知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１７０１０号公報
【特許文献２】国際公開  ＷＯ２００６／００３９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献２記載のものでは、超小型電機システム（ＭＥＭＳ）等の製造の際に、フッ素含有のガスを用いて、広いパターン幅でかつ高い異方性で深くエッチングすることが可能となる。然し、エッチング保護膜を形成する工程が付加されるため、高い生産性を達成するには、エッチング保護膜の形成速度やエッチング速度をさらに高めることが望まれる。
【０００８】
そこで、本発明は、以上の点に鑑み、エッチング速度及びエッチング保護膜の形成速度をさらに速めることができ、特に、シリコン基板に対して垂直な側壁をもって深さ方向に延びる孔を形成することに適したエッチング装置及びエッチング方法を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１記載のエッチング装置は、誘導放電式でプラズマが発生されるプラズマ発生室及びこのプラズマ発生室に連通し、エッチング処理すべき被処理物が配置される待機室とを有する真空チャンバと、プラズマ発生室に所定のエッチングガスを導入するガス導入手段とを備えたエッチング装置において、前記エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが行われる場合に、前記プラズマが発生した領域に被処理物が存するように、前記待機室に配置された当該被処理物の位置を変更する位置変更手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、例えばエッチングガスとして、ＳＦ６などを含むフッ素含有ガスを用い、シリコン基板をエッチングする場合、主としてフッ素ラジカルで当該エッチングが進行する。このとき、位置変更手段を作動させてフッ素ラジカルの密度の高くなっているプラズマ発生領域にシリコン基板を位置させているため、エッチング速度を向上させることができる。
【００１１】
本発明においては、前記位置変更手段は被処理物が配置される基板ステージであり、この基板ステージを、プラズマ発生室と待機室との間で往復動する駆動手段を備えたものとすればよい。ここで、この種のエッチング装置においては、例えば公知の搬送ロボットによる基板ステージへの被処理物の受け渡しのために、当該基板ステージを短いストロークで往復動自在に形成している場合が多い。このようなエッチング装置においは、基板ステージの移動ストロークを長くするだけで、被処理物を移動させる別個の装置を必要とせず、主としてラジカルで被処理物のエッチングが行われる場合に被処理物の位置を変更する構成が簡単に実現でき、また、低コストが図れてよい。
【００１２】
また、前記基板ステージは、高周波電源に接続され、浮遊電極となって負のバイアス電位となる基板電極を備えることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明においては、前記基板ステージの往復動方向の延長上で当該基板ステージに対向させて前記プラズマ発生室に設けたターゲットと、このターゲットに高周波電力を投入する他の高周波電源とをさらに備え、スパッタリングによりエッチング保護膜を形成する際に当該基板ステージを移動させ、前記プラズマが発生した領域に被処理物が存する構成を採用すれば、ターゲット及び被処理物相互の間の距離が短くでき、スパッタレート、つまり、エッチング保護膜形成の速度も高めることができる。
【００１４】
上記課題を解決するために、請求項５記載のエッチング方法は、筒状のプラズマ発生室内でその外側に設けた磁場コイルで形成した磁気中性線に沿って、高周波電源を介してアンテナコイルに交番電場を加え、当該プラズマ発生室内に放電プラズマを発生させると共に所定のエッチングガスを導入し、基板ステージに配置された被処理物をエッチングするエッチング方法において、前記エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルでエッチングが進行する場合、前記プラズマの発生領域に被処理物が存し、主としてイオンでエッチング進行する場合、プラズマ発生領域から離間するように当該被処理物の位置を切り換えることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、例えばエッチングガスとしてフッ素含有ガスとハロゲン化水素含有との混合ガスを用い、表面にレジストマスクが形成された石英基板をエッチングする場合、主としてイオンでエッチングが進行するが、被処理物たる石英基板をプラズマが発生した領域から離間しているため、プラズマ発生領域での過剰解離により発生したフッ素ラジカルが途中で水素と結合し排気除去されるため、レジストマスクに対する選択比を改善することができる。
【００１６】
尚、主としてラジカルでエッチングが進行する場合、前記真空チャンバ内の作動圧力を１２Ｐａ以下に設定することが好ましい。作動圧力が１２Ｐａを超えると、異方性エッチングに寄与するイオンが不足し、異方性が崩れてエッチング形状が悪いという不具合が生じる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のエッチング装置の構成を概略的に示す模式側面図。
【図２】実施例１において、シリコン基板に孔をエッチングしたときの断面を示すＳＥＭ写真。
【図３】実施例２において、真空チャンバ内の圧力を変化させてシリコン基板に孔をエッチングしたときのエッチングレートを示すグラフ。
【図４】実施例３において、ターゲット及び被処理物相互間の距離を変化させてエッチング保護膜を形成したときのスパッタレート及び膜厚の面内均一性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照して、１は、本発明の誘電結合型のエッチング装置である。このエッチング装置１は、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能なものであり、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどの真空排気手段２を備えた真空チャンバ３を有する。真空チャンバ３は、誘電体筒状壁により画成されたその上部のプラズマ発生室３ａと下部の待機室３ｂとから構成され、当該待機室３ｂを介して真空チャンバ３内が真空引きされる。
【００１９】
プラズマ発生室３ａの側壁（誘電体側壁）３１の外側には、三つの磁場コイル４ａ乃至４ｃが設けられ、当該磁場コイル４ａ乃至４ｃによって、プラズマ発生部３ｂ内に環状磁気中性線（図示せず）が形成される。また、磁場コイル４ａ乃至４ｃと側壁３１外側との間には、プラズマ発生用の高周波アンテナコイル５が配置され、公知の構造を有する第１の高周波電源６ａに接続されている。そして、三つの磁場コイル４ａ乃至４ｃによって形成された磁気中性線に沿って交番電場を加えることで、プラズマ発生室３ａ内に放電プラズマＰを発生（生成）させることができる。この場合、中間の磁場コイル４ｂは、側壁３１の長手方向の略中央に位置し、プラズマ発生室３ａ内に放電プラズマＰを発生させたとき、中間の磁場コイル４ｂを通る空間でプラズマＰ密度が最も高くなり、また、当該プラズマＰは待機室３ｂの上部空間まで若干拡がるようになる。
【００２０】
プラズマ発生室３ａを区画する天板７は、誘電体側壁３１の上部フランジに密封固定され、電位的に浮遊状態となって対向電極を構成する。この場合、天板７内側には、第２の高周波電源６ｂに接続されたスパッタリング用のターゲット８が装着でき、被処理物Ｓを異方性エッチングする途中で、高周波電力をターゲット８に投入して当該ターゲット８をスパッタリングすることで被処理物Ｓにエッチング保護膜が形成できる。ターゲット８としては、被処理物Ｓに形成しようするエッチング保護膜の組成に応じて適宜選択され、公知の方法で形成される。  
【００２１】
また、天板７には、エッチングガス及びスパッタガスを切り換えて又は同時に一定の流量でプラズマ発生室３ａ内に導入する公知の構造のガス導入手段９が接続されている。エッチングガスとしては、ＳＦ６等のフッ素含有ガス、ＨＢｒ等のハロゲン含有ガス（ハロゲン化水素）やこれらの混合ガスなど、被処理物Ｓに応じて適宜選択される。他方、スパッタガスとしては、Ａｒ等の希ガスが用いられる。
【００２２】
待機室３ｂ内には  磁気中性線の作る面と対向させて、シリコン基板などの被処理物Ｓが搭載される基板ステージ１０が設けられている。基板ステージ１０は、円柱状の基台１０ａと、この基台１０ａ上面に図示しない絶縁体を介して設けられた平面視円形の基板電極１０ｂとから構成され、基板電極１０ｂは、コンデンサー１１を介して第３の高周波電源６ｃに接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位を印加できるようになっている。
【００２３】
基台１０ａの下面には、送りねじ（図示せず）と駆動モータ１２とから構成される駆動手段が連結され、駆動モータ１２を回転駆動して送りねじを回転させると、基板ステージ１０が、プラズマ発生領域たるプラズマ発生室３ａ（例えば図１において仮想線で示す位置）と、待機室３ｂ（例えば図１において実線で示す位置）との間で昇降自在となり（往復動する）、位置変更手段を構成する。尚、基板ステージ１０は、公知の構造を有する搬送ロボットにより基板ステージ１０に基板を受け渡しする場合に、基板ステージ１０を短いストロークで昇降させることもできる。
【００２４】
次に、本実施の形態のエッチング装置１を用いた被処理物のエッチングを、シリコン基板Ｓに深孔を形成する場合を例に説明する。被処理物たるシリコン基板Ｓ表面には、エッチング時にマスクとして役割を果たすＳｉＯ２膜が所定のパターン（所定の開口率）で形成されている。シリコン基板Ｓは、ＳｉＯ２膜に代えて公知のフォトリソグラフィー工程によりレジストマスクをその表面に形成したものであってもよい。そして、このようにマスクを有するシリコン基板Ｓを待機室３ｂに搬入し、基板電極１０ｂに位置決めして搭載する。
【００２５】
次いで、真空排気手段２を作動させて真空チャンバ３を真空引きする。このとき、シリコン基板Ｓのエッチングに先立って、基板ステージ１０を上昇させてシリコン基板Ｓがプラズマ発生領域、好ましくはプラズマ発生室３ａ内に存するようにその位置を変更する。そして、真空チャンバ内の圧力が所定値（例えば、１０−５Ｐａ）に達すると、エッチングガスとしてＳＦ６などのフッ素含有ガスを用い、ガス導入手段９を介してプラズマ発生室３ａ内に一定の流量で導入する。この場合、エッチングストップが生じないように酸素を添加するようにしてもよい。また、エッチング時の圧力は、５〜１２Ｐａの範囲と設定する。５Ｐａより低い圧力では、ラジカル不足でエッチングレートが低すぎる一方で、１２Ｐａより高い圧力では、異方性エッチングに寄与するイオンが不足し、異方性が崩れてエッチング形状が悪いという不具合が生じる。
【００２６】
エッチングガスの導入と共に、第１の高周波電源６ａを介して主放電用の高周波電力を高周波アンテナコイル５に供給すると、三つの磁場コイル４ａ乃至４ｃによって形成された磁気中性線に沿って交番電場が加えられてプラズマ発生室３ａ内に高密度の放電プラズマが発生する。それに併せて、第３の高周波電源６ｃを介して主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させる基板バイアス用の電力を基板電極１０ｂに供給する。
【００２７】
これにより、プラズマで分解されたフッ素イオンやフッ素ラジカルが、シリコン基板Ｓに照射され、当該シリコンとの反応によりガス化してエッチングされていく（エッチング工程）。ここで、常温でシリコンとフッ素ラジカルとの反応が自発的となって反応し易いため、主としてラジカルによりエッチングが進行するが（等方性エッチング）、本実施の形態においては、フッ素ラジカルの密度の高くなっているプラズマ発生領域にシリコン基板Ｓを位置させているため、エッチング速度が向上する。尚、プラズマ発生室３ａ内でプラズマ密度が高い領域までシリコン基板Ｓを近づけていくと、局所的にエッチングされる領域が発生し、面内分布が悪化する等の問題が生じるため、これらを考慮してシリコン基板Ｓのプラズマ発生領域内での位置が適宜調節される。
【００２８】
ところで、フッ素含有ガスを用いて、シリコン基板Ｓに横方向の広がりを抑制して垂直な側壁をもって深さ方向に深く延びる孔を形成する場合には、等方性エッチングを抑制することが必要となる。このような場合には、天板７内側にフッ素樹脂材や珪素材製のターゲット８を装着しておき、一定の周期で、エッチングガスの導入を停止してシリコン基板Ｓのエッチングを停止すると共に、Ａｒ等のスパッタガスをガス導入手段９を介してプラズマ発生室３ａに導入し、ターゲット８に第２の高周波電源６ｂを介して所定の電力を投入し、ターゲット８をスパッタリングすることで、エッチングされた孔などにエッチング保護膜を形成する（スパッタリング工程）。スパッタリング工程中、基板ステージ１０の位置をそのままで保持し、シリコン基板Ｓがプラズマ発生領域に位置するようにすれば、エッチング保護膜の形成速度も向上させることができる。
【００２９】
そして、エッチング保護膜の形成を停止し、ガス導入手段９によりスパッタガスとエッチングガスとを切換え、上記のように第１及び第３の高周波電源６ａ、６ｃを再度作動させて電力投入を再開すると、エッチング保護膜と共にシリコン基板Ｓが深さ方向に深くエッチングされていく。
【００３０】
尚、本実施の形態においては、エッチングガスとしてフッ素含有ガスを用い、シリコン基板をエッチングする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてラジカルで被処理物のエッチングが進行する場合には、基板ステージを上昇させて被処理物Ｓがプラズマ発生領域、好ましくはプラズマ発生室３ａ内に存するようにその位置が変更される。
【００３１】
他方で、エッチングガス及び被処理物の種類により、主としてプラズマで分解されたイオン種によりエッチングが進行する場合には、基板ステージ１０上の被処理物Ｓがプラズマ発生領域から離間するように、基板ステージ１０が待機室３ｂ内に位置させればよい。例えば、エッチングガスとしてフッ素含有ガスとハロゲン化水素含有との混合ガスを用い、表面にレジストマスクが形成された石英基板をエッチングする場合、主としてイオンでエッチングが進行するが、被処理物たる石英基板をプラズマが発生した領域から離間しているため、プラズマ発生領域での過剰解離により発生したフッ素ラジカルが途中で水素と結合し排気除去されるため、レジストマスクに対する選択比を改善することができる。
【００３２】
さらに、例えばシリコン基板Ｓに横方向の広がりを抑制して垂直な側壁をもって深さ方向に深く延びる孔を形成するために、フッ素含有ガスやハロゲン含有ガスなどエッチングガスを切換えて被処理物Ｓをエッチングする場合には、主としてラジカルでエッチングが進行するか、または、主としてイオンでエッチング進行するかにより、被処理物の位置を切り換えてエッチングすればよく、このようなエッチング処理を行う場合に本実施の形態のエッチング装置は最適である。
【実施例１】
【００３３】
実施例１では、被処理物としてシリコン基板Ｓを用い、このシリコン基板Ｓ表面に熱酸化膜（ＳｉＯ２）を所定のパターン（開口率１％）かつ１０００ｎｍの膜厚で形成した。次に、図１に示すエッチング装置１を用いてエッチングを行った。この場合、誘電体側壁３１の内径を３００ｍｍで、その高さ寸法を１５０ｍｍに設定した。
【００３４】
また、エッチングガスとしてＳＦ６を用い、このエッチングガスのガス流量を３０ｓｃｃｍ、プラズマ発生用の高周波アンテナコイル５に接続した第１の高周波電源の出力（周波数１３．５６ＭＨｚ）を２０００ｋＷ、基板電極１０ｂに接続した第３の高周波電源の出力（周波数１２．５６ＭＨｚ）を５００ｋＷ、基板温度を２０℃、真空チャンバ３の圧力を７Ｐａ、エッチング時間３０ｍｉｎに設定し、シリコン基板Ｓをエッチングした。
【００３５】
図２は、基板ステージ１０に搭載されたシリコン基板Ｓから中間磁場コイル４ｂを通る空間まで距離Ｚ１を４０ｍｍ（シリコン基板Ｓがプラズマ発生室３ｃの下部に達する位置）と、シリコン基板Ｓから上気空間までの距離Ｚ２を１４０ｍｍ（シリコン基板Ｓがプラズマ発生領域から離間した位置）とにそれぞれ設定し、上記条件でエッチングしたときのシリコン基板の断面を示すＳＥＭ写真である。これによれば、シリコン基板がプラズマ発生領域に存するようにすれば、エッチングレートが１０．４８μｍ／ｍｍであり、シリコン基板Ｓがプラズマ発生領域から離間した位置にある場合のエッチングレート（６．９７３μｍ／ｍｍ）と比較して向上していることが判る。
【実施例２】
【００３６】
実施例２では、上記実施例１と同じシリコン基板Ｓを用い、図１に示すエッチング装置１を用いてエッチングを行った。エッチング条件は、実施例１と同一とした。真空排気手段２に通じる排気管にコンダクタンスバルブを設け、エッチング時の真空チャンバ３内の圧力を０〜１２Ｐａの間で変化させた。
【００３７】
図３は、上記距離Ｚ１、Ｚ２を４０ｍｍ、１４０ｍｍにそれぞれ設定し、圧力を変化させたときのエッチングレートを示すグラフである。これによれば、６Ｐａ以下の圧力では、シリコン基板がプラズマ発生領域に存するようにすれば、エッチングレートが向上していることが判る。他方で、１２Ｐａ以上の圧力になると、真空チャンバ３内でのシリコン基板の位置に関係なく、エッチング速度が約３０μｍ／ｍｍと高くなったが、異方性エッチングに寄与するイオンが不足し、異方性が崩れてエッチング形状が悪いという不具合が生じる。
【実施例３】
【００３８】
実施例３では、実施例１と同じシリコン基板を用い、図１に示すエッチング装置１の天板に取付けたターゲットをスパッタリングしてエッチング保護膜を形成した。ターゲットとして、ポリテトラフルオロエチレンを用い、また、スパッタガスとしてアルゴンを用いた。そして、アルゴンの流量を３０ｓｃｃｍ、第２の高周波電源の出力（周波数１２．５ＭＨｚ）、スパッタリング時間５ｓｅｃに設定してスパッタリングを行った。その際、基板ステージ１０に搭載されたシリコン基板Ｓから中間磁場コイル４ｂを通る空間まで距離（ターゲット及び被処理物相互間の距離）を２０ｍｍから１４０ｍｍまでの間で変化させることとした。
【００３９】
図４は、上記距離を変化させ、上記条件でスパッタリングによりエッチング保護膜を形成したときのスパッタレートと膜厚さを示すグラフである。これによれば、上記距離が４０ｍｍの場合、スパッタレートは、上記距離を１４０ｍｍに設定した場合と比較して約倍以上となったことが判る。
【符号の説明】
【００４０】
１…エッチング装置、３…真空チャンバ、３ａ…プラズマ発生室、３ｂ…待機室、４ａ乃至４ｃ…磁場コイル、５…アンテナコイル、６ａ乃至６ｃ…高周波電源、７…天板、８…ターゲット、９…ガス導入手段、１０…基板ステージ（位置変更手段）、１２…駆動モータ（位置変更手段）。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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