(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス雰囲気でプラズマを用いてＳｉによる被加工物を高速にエッチングする方法であって、
該プラズマは、第１の電極と第２の電極との間に１００ＭＨｚ以上の周波数の電圧を印加することによって該第１の電極と該第２の電極との間で発生し、該被加工物であるＳｉは該第２の電極の該第１の電極に対向する面の上部に設置され、該Ｓｉと該第１の電極との間隔が１ｍｍ以下であり、該プラズマが該Ｓｉと作用することによって該Ｓｉがエッチングされ、
前記ガス雰囲気は、０．１気圧以上２気圧以下の圧力を有し、ＳＦ6とＯ2とＨｅとによって構成され、Ｏ2ガス対ＳＦ6とＯ2との混合ガス（Ｏ2／（ＳＦ6＋Ｏ2））の体積比が０．２５〜０．５に設定され、ＳＦ6の分圧は７．６Ｔｏｒｒ以上、１１．４Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とするＳｉの高速エッチング方法。
【請求項２】
前記第１の電極は回転電極であり、該第１の電極を前記Ｓｉに対して相対的に移動させながらエッチングを行う、請求項１に記載のＳｉの高速エッチング方法。
【請求項３】
前記被加工物を１００℃以上に加熱しエッチングを行う、請求項１または２に記載のＳｉの高速エッチング方法。
【請求項４】
ガス雰囲気でプラズマを用いてＳｉによる被加工物を高速にエッチングする方法であって、
該プラズマは、第１の電極と第２の電極との間に１００ＭＨｚ以上の周波数の電圧を印加することによって該第１の電極と該第２の電極との間で発生し、該被加工物であるＳｉは該第２の電極の該第１の電極に対向する面の上部に設置され、該Ｓｉと該第１の電極との間隔が１ｍｍ以下であり、該プラズマが該Ｓｉと作用することによって該Ｓｉがエッチングされ、
該ガス雰囲気は、０．１気圧以上２気圧以下の圧力を有し、ＳＦ6とＯ2とＨｅとによって構成され、Ｏ2ガス対ＳＦ6とＯ2との混合ガス（Ｏ2／（ＳＦ6＋Ｏ2））の体積比が０．２５〜０．５に設定され、ＳＦ6の分圧は７．６Ｔｏｒｒ以上、１１．４Ｔｏｒｒ以下であり、
該第１電極は回転電極であり、
該被加工物を１００℃以上に加熱しエッチングを行うＳｉの高速エッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いてシリコン（Ｓｉ）を高速に加工するエッチング方法に関し、特に、Ｓｉを用いた半導体デバイスあるいはマイクロマシン等の製造におけるＳｉの高速エッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマＣＶＭ（Chemical Vaporization Machining）法は、大気圧程度の高圧ガス雰囲気中で、１００ＭＨｚ以上の高周波電圧によりプラズマを発生させエッチングを行うプラズマエッチング法である。この方法は、低圧ガス雰囲気中のプラズマエッチングに比べ、Ｓｉを高速に加工することが可能である（例えば精密工学会関西支部創立５０周年記念学術講演会講演論文集第８３〜８４頁）。プラズマＣＶＭ法において、反応ガスとしてＳＦ6を用い、それに酸素を添加することが、「プラズマＣＶＭにおけるポリシング加工に関する研究（第１報）」（１９９６年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集第１１４５〜１１４６頁）に示されている。
【０００３】
上記の文献によれば、ＳＦ6を反応ガスに用いた場合、その分解生成物である硫黄（Ｓ）が被加工物表面に付着することで、エッチングの妨げになると考えられている。これらの分解生成物を除去するために、上記の文献では酸素が少量添加されている。添加されている酸素の量は、（Ｏ2／（ＳＦ6＋Ｏ2）の体積比（以下「酸素比」とも呼ぶ）が０．０９となっている。少量の酸素の添加により、硫黄が除去されエッチングが促進されると考えられている。
【０００４】
一方、プラズマＣＶＭ法以外のプラズマエッチング法を用い、ＳＦ6を反応ガスとして、Ｓｉのエッチングも行われている。そして、ＳＦ6にＯ2を添加し、エッチングレートの酸素比に対する依存性の検討が、J. E1ectrochem. Soc. Vol. 129, No. 12, P. 2765や、特開平９−８２６８６号公報などに示されている。これらの文献によると、酸素を添加するに従ってエッチングレートが減少する傾向がある。上記のJ. E1ectrochem. Soc. Vol. 129, No. 12, P. 2765には、マイクロ波を用いたプラズマエッチング装置を使用する場合、硫黄が残留しないとの記載がある。これを考慮すると、除去するべき硫黄が存在しないので酸素を添加しても加工レートは上昇することなく、逆に酸素の添加によりＳＦ6の濃度が相対的に減少するため、その結果加工レートが低減することになると推測される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ＳＦ6ガスを用いたエッチングにおいて硫黄が残留するか否かは一義的には判明されず、したがって酸素添加の効果もプラズマ条件によって差異があると考えられる。
【０００６】
プラズマＣＶＭ法においてＳｉのより高速な加工を実現するためには、プラズマＣＶＭに対応する最適な酸素比にて加工を行う必要がある。しかし、プラズマＣＶＭ法について、上記の１９９６年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集第１１４５〜１１４６頁においては、ＳＦ6にＯ2を添加することにより加工レートが変化することのみが示され、最適な酸素比は不明である。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、酸素比を最適な値に設定することで、プラズマＣＶＭ法により高速の加工レートでＳｉによる被加工物をエッチングする方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のＳｉの高速エッチング方法は、ガス雰囲気でプラズマを用いてＳｉによる被加工物を高速にエッチングする方法であって、該プラズマは、第１の電極と第２の電極との間に１００ＭＨｚ以上の周波数の電圧を印加することによって該第１の電極と該第２の電極との間で発生し、該被加工物であるＳｉは該第２の電極の該第１の電極に対向する面の上部に設置され、該Ｓｉと該第１の電極との間隔が１ｍｍ以下であり、該プラズマが該Ｓｉと作用することによって該Ｓｉがエッチングされ、前記ガス雰囲気は、０．１気圧以上２気圧以下の圧力を有し、ＳＦ6とＯ2とＨｅとによって構成され、Ｏ2ガス対ＳＦ6とＯ2との混合ガス（Ｏ2／（ＳＦ6＋Ｏ2））の体積比が０．２５〜０．５に設定され、ＳＦ6の分圧は７．６Ｔｏｒｒ以上、１１．４Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明によるＳｉの高速エッチング方法の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は、本発明によるＳｉの高速エッチング方法に用いられるプラズマＣＶＭ（Chemical Vaporization Machining）装置の構成を示す。プラズマＣＶＭ装置は、反応容器５と、反応容器内５内の、被加工物６を保持するステージ２と、被加工物６近傍でプラズマを発生させるための加工用電極１と、を備えている。加工用電極１（第１の電極）およびステージ２（第２の電極）は、整合器３を介して高周波電源４に接続されている。
【００１２】
加工用電極１は、円筒型回転体によって構成され、中心軸を軸として回転する機能を有する。また、ステージ２は、保持する被加工物６と加工用電極１とのギャップ間隔を保持しつつ、加工用電極１に対して並行に移動する機能を有する。本発明において、加工用電極１と被加工物６とのギャップ間隔は１ｍｍ程度以下に設定される。
【００１３】
図示しないガス供給手段およびガス排気手段により、反応容器５内は、約０．１気圧から１０気圧までの圧力を有するガス雰囲気が形成されている。このガス雰囲気は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒなどの希ガスおよび、ＳＦ6とＯ2とが所望の混合比で混合されているガスによって構成されている。本発明において、ＳＦ6中のＯ2の混合量は、Ｏ2ガス対ＳＦ6とＯ2との混合ガス（Ｏ2／（ＳＦ6＋Ｏ2））の体積比（酸素比）として約０．２５から０．５に設定される。なお、希ガスは、プラズマの発生および維持の補助に用いられ、被加工物６のエッチングには直接的には寄与しない。
【００１４】
高周波電源４から、回転する加工用電極１とステージ２との間に約１００ＭＨｚ以上の高周波電圧を印加し、加工用電極１とステージ２間或いは加工用電極１と被加工物６間にプラズマを発生させる。このプラズマが被加工物６と作用することによって被加工物６のエッチングが行われる。
【００１５】
加工用電極１を回転させることによって、加工用電極１と被加工物６との間の１ｍｍ以下の微小ギャップにガス流を形成することができ、反応ガスをプラズマ発生空間に効率よく供給できる。また、反応生成物もこの微小ギャップから排気できる。また、加工用電極１と被加工物６とのギャップ間隔を保持したままステージ２を移動させることによって、被加工物６の全面をエッチングすることが可能である。
【００１６】
以下に、図２を参照しながら、Ｏ2／（ＳＦ6＋Ｏ2）の体積比（酸素比）を０．２５から０．５に設定する意義について説明する。
【００１７】
図２は、ガス雰囲気におけるＳＦ6とＯ2との混合ガスに対するＯ2ガスの体積比と、Ｓｉのエッチングレートとの関係を示す。図２のデータは、図１に示されるプラズマＣＶＭ装置を用いＳｉ基板を被加工物６として、Ｏ2／（ＳＦ6＋Ｏ2）の体積比を変えてエッチングを行った結果を示す。このエッチングにおいて、ガス雰囲気を構成する希ガス、ＳＦ6およびＯ2の総圧力は１気圧であり、ＳＦ6の分圧は７．６ｔｏｒｒ（図２の●印による曲線）または１１．４ｔｏｒｒ（図２の○印による曲線）である。希ガスはＨｅガスを用い、ステージ２は水冷し、Ｓｉ基板の温度を２５℃に設定される。なお、他の主なエッチング条件は以下の通りである。
【００１８】
電力：２．５ｋＷ
電源周波数：１５０ＭＨｚ
ギャップ間隔：４００μｍ
加工用電極回転数：５０００ｒｐｍ
ステージ移動速度：１０ｍｍ／ｓ
図２の結果から、プラズマＣＶＭ法においてＳＦ6を反応ガスとした場合、Ｏ2を添加することにより、Ｓｉのエッチングレートが向上することが分かる。そして、Ｓｉのエッチングレートの向上が２０％程度以上という、エッチングレートの向上が顕著となる酸素比の範囲が、約０．２５から０．５までであることが分かる。この結果は本願発明者により初めて明らかになった。
【００１９】
酸素比が０．５を越えるとエッチング面が酸化されるため、Ｓｉ基板の表面性質が極めて悪くなり、基板の表面の色調が白色に変化する。このようなＳｉ基板は半導体デバイス等の製造工程には適しない。より望ましくは、酸素比を０．３５から０．４６程度の範囲に設定される。この場合、ＳＦ6の分圧が１１．４ｔｏｒｒのとき、酸素比がゼロの場合に比べて最大で２倍以上エッチングレートが向上する。
【００２０】
次に、酸素ガスの添加による効果が顕著に現れるＳＦ6分圧について説明する。図３は、ＳｉのエッチングレートのＳＦ6分圧依存性を示す。○プロットは、Ｏ2を添加していない場合、●プロットは、最適な酸素比（ＳＦ6分圧が７．６Ｔｏｒｒに対して０．３８、ＳＦ6分圧が１１．４Ｔｏｒｒに対して０．４６）でＯ2を添加した場合を示す。
【００２１】
この図から、ＳＦ6分圧３．８Ｔｏｒｒ以上の条件では、ＳＦ6分圧の増加に対して飽和傾向にあったエッチングレートが、Ｏ2の添加により、ＳＦ6分圧の増加にほぼ比例して増加することが分かる。このことから、上記の酸素比によるエッチングレートの増加効果は、特にＳＦ6分圧が３．８Ｔｏｒｒ以上の条件において顕著となることが分かる。
【００２２】
本発明の方法において、ガス雰囲気の総圧力を０．１〜２気圧程度、電力を１〜５ｋＷ程度、ギャップ間隔を２００〜１０００μｍ程度、加工用電極回転数を１０００〜５０００ｒｐｍ程度、およびステージ移動速度を１〜２０ｍｍ／ｓ程度の条件に設定しても、エッチングレートに差はあるものの、酸素の含有率すなわち酸素比に対するエッチングレートの変化傾向は上述した結果と同様である。
【００２３】
次に、被加工物６であるＳｉ基板を加熱した状態でエッチングすることについて説明する。基板温度を１００℃程度に設定し、上述した方法と同様な方法でエッチングを行う場合のエッチングレートは、図２における□印で示されている。その結果から分かるように、酸素比０．４６、ＳＦ6分圧１１．４ｔｏｒｒの場合において、さらに１０％程度のエッチングレートの向上が見られる。基板を加熱することによって、Ｓｉのエッチングレートをさらに高められることが分かる。
【００２４】
なお、Ｏ2を添加しない場合の、Ｓｉ基板の温度に対するＳｉのエッチングレートの変化は図４に示される。図４のデータの測定条件は、投入電力が１．５ｋＷ（△印による直線）および２．５ｋＷ（○印による直線）、ＳＦ6分圧が７．６Ｔｏｒｒ、加工用電極の回転数が５０００ｒｐｍとなる。基板を加熱することによりエッチングレートの向上は確認できたが、酸素を適量添加することと、基板を加熱することとを組み合わせることにより、酸素比ゼロおよび基板が水冷されているという条件と比べて、最大２．４倍のエッチングレートの向上が実現できる。なお、図４に示される基板温度は、加工中の基板温度であり、加工前に設定した温度に加えて、プラズマによる温度の上昇分も含んでいる。
【００２５】
基板温度が高いほどエッチングレートは向上する。少なくとも１００℃以上まで基板を加熱することにより、エッチングレートを所望の値まで高められる。加熱と冷却に要する時間を考慮したエッチングのスループットが向上するならば、被加工物の耐熱性が許容する範囲内で基板温度を高い値に設定すればよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、プラズマＣＶＭ法において、ＳＦ6を反応ガスとし、酸素比を０．２５から０．５、より望ましくは０．３５から０．４６と設定することによってＳｉの高速エッチングが実現できる。また、基板温度を１００℃以上とすれば、エッチングレートはさらに高められる。本発明によれば、半導体デバイスや、マイクロマシンの製造において、スループットの向上が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＶＭ装置の構成を示す図である。
【図２】Ｓｉのエッチングレートの酸素比依存性を示す図である。
【図３】ＳｉのエッチングレートのＳＦ6分圧依存性を示す図である。
【図４】Ｏ2を添加しない場合の、Ｓｉ基板温度に対するＳｉのエッチングレートの変化を示す図である。
【符号の説明】
１  加工用電極
２  ステージ
３  整合器
４  高周波電源
５  チャンバー
６  Ｓｉ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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