JP4546032B2

JP4546032B2 - プラズマ処理装置及び方法

Info

Publication number: JP4546032B2
Application number: JP2003033393A
Authority: JP
Inventors: 陽一郎矢代; 智洋奥村; 忠司木村; 光央齋藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2003347284A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体等の電子デバイスやマイクロマシンの製造工程に適用するプラズマ処理方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ処理装置として、例えば特開２０００−１６４３９５号公報や特開平９−２７４８２号公報に開示されたものが知られている。
【０００３】
特開２０００−１６４３９５号公報に開示された基板電極プラズマ発生装置を図７を参照して説明すると、表面を酸化したシリコン基板１０５上にタングステンをスパッタ蒸着した後、ドライエッチングすることによって形成された微小ギャップ薄膜電極対１０１、１０２、１０３、１０４のアレイにて構成されている。シリコン基板１０５上に配置された微小ギャップ薄膜電極対１０１、１０２、１０３、１０４に高周波電力を供給することで、微小ギャップ薄膜電極対にプラズマを発生させ、エッチング、堆積、表面改質等のプラズマ処理を行う。
【０００４】
特開平９−２７４８２号公報に開示されたマイクロ波を用いたプラズマエッチング装置を図８を参照して説明すると、マグネトロン１１１で発生した２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管１１２を通して反応性ガス供給管１１３を通るＣＦ₄と酸素の混合ガスに印加し、反応性ガスをプラズマ化する。プラズマ化した反応性ガスは、ノズル１１４からウエハ１１５の凸部１１５ａに当てられてエッチングされる。エッチング中に発生した反応生成物は、反応性ガス供給管１１３の外周に同軸状に配設された反応生成物排気管１１６の吸引口から吸引されて外部に排気される。
【０００５】
また、ウエハ１１５の表面を局部的にエッチングするために、ウエハ１１５を移動台１１７に吸着固定して、駆動手段１１８にて移動台１１７をＸ、Ｙ、θ方向に移動させるように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来方式では、低コストで微小領域を処理し、パターンを形成するようなプラズマ処理が困難であるという問題がある。
【０００７】
図７の基板電極プラズマ発生装置においては、シリコン基板１０５上に設けられた微小ギャップ薄膜電極対１０１〜１０４のアレイに近接した領域のみプラズマ処理可能であるため、所望のパターンを形成するためには、そのパターンに対応して微小ギャップ薄膜電極対を作成する必要があり、マスクパターンを用いる代わりに微小ギャップ薄膜電極対をパターニングする必要があり、その分コストがかかるという問題がある。
【０００８】
図８のプラズマエッチング装置においては、発生したプラズマ中に存在する粒子のうち、ラジカルだけがプラズマから離れたノズル１１４外に拡散するため、この種の装置では主としてラジカルによって処理を行うことになる。主にラジカルのみを用いた処理は、被処理物全面にわたる処理には適用できるが、被処理物上の一部のみの処理には適用できない。これはガス同様ラジカルが等方的に拡散すると考えられるからである。従って、この種の装置を、微小領域を処理しパターン形成するようなプロセスに適用するためには、マスクパターンを用いなければならず、低コストで微小領域を処理し、パターン形成するようなプロセスが困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、マスクパターンを用いずに、低コストで微小領域を処理し、パターンを形成することができるプラズマ処理装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１発明のプラズマ処理装置は、高周波電源と、高周波電源に接続された第１の電極と第１の電極に対向する第２の電極と第１と第２の電極間のプラズマ放電を生成するための放電空間とを備えたプラズマ発生部と、放電空間にガスを供給するガス供給装置と、放電空間の圧力が１００Ｐａ〜２００ｋＰａでかつ放電空間の圧力Ｐと放電空間の厚みＤとの積ＰＤを０．１〜１２０（Ｐａ・ｍ）となるように制御する制御装置と、プラズマ発生部と被処理物を相対移動させることでプラズマ処理領域が線状となるようにパターン形成を行う移動装置とを備えたものであり、電極間の放電空間にガスを供給して発生させたプラズマにて放電空間に臨む微小領域を処理でき、そのプラズマ発生部と被処理物の相対移動によってマスクパターンを用いずに任意のパターンを処理することができ、また放電空間の圧力、及び放電空間の圧力と厚みの関係を上記のように規制することで、高価な真空排気手段を用いずに安価にかつ強い電磁波を発生することなくプラズマ処理でき、また印加電圧を極端に高くすることなく、放電着火してプラズマ処理を開始することができる。
【００１１】
また、プラズマ発生部を被処理物に対して動かす移動装置、若しくは被処理物をプラズマ発生部に対して動かす移動装置を備えるのが好適である。
【００１２】
また、放電空間の一端にガス供給装置を接続し、放電空間の他端の開口部に対向して被処理物を配置すると、微小領域の処理に好適である。
【００１３】
また、プラズマを断続的に発生させるプラズマ断続発生制御装置を設けると、断続的なパターンを容易に形成できる。
【００１４】
また、移動装置が、フィルム状の被処理物を巻き取るロールを有すると、フィルム状の被処理物を処理するのに好適である。
【００１５】
また、高周波電源が、周波数が１ＭＨｚ〜５ＧＨｚの高周波電力を出力するものであると、電極の消耗を抑制できかつプラズマ放電が安定して好適である。
【００１６】
第２発明のプラズマ処理方法は、第１と第２の電極を対向配置して両電極の間に放電空間を形成し、放電空間にガスを供給し、放電空間の圧力を１００Ｐａ〜２００ｋＰａに保つとともに放電空間の圧力Ｐと放電空間の厚みＤの積ＰＤが０．１〜１２０（Ｐａ・ｍ）となるように制御し、第１の電極に高周波電力を印加することで放電空間にプラズマを発生させ、発生させたプラズマに対して、フィルム状の被処理物をロールに巻き取りながら相対的に動かすことでプラズマ処理領域が線状となるようにパターン形成を行うものであり、電極間の放電空間にガスを供給して発生させたプラズマにて放電空間に臨む微小領域を処理しつつ動かすことで任意のパターンをマスクパターンを用いずに処理することができ、また放電空間の圧力、及び放電空間の圧力と厚みの関係を上記のように規制することで、高価な真空排気手段を用いずに安価にかつ強い電磁波を発生することなくプラズマ処理でき、また印加電圧を極端に高くすることなく、放電着火してプラズマ処理を開始することができる。
【００１７】
また、ガスとしては、処理に応じて反応性を持つもの、特に少なくともハロゲン元素、酸素、窒素の何れか１つを含むものを用いることができ、また希ガスを用いるとプラズマ放電を開始させやすい。
【００１８】
また、高周波電力の周波数として、１ＭＨｚ〜５ＧＨｚを用いると、電極の消耗を抑制できかつプラズマ放電が安定して好適である。
【００１９】
また、プラズマを断続的に発生させながら処理すると、任意に断続的なパターンを形成することができる。
【００２０】
また、被処理物をロール状に巻き取りながら処理すると、フィルム状の被処理物を処理するのに好適である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明のプラズマ処理装置及び方法の第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００３５】
図１において、１は第１の電極、２は第２の電極であり、第１の電極１と第２の電極２の間にプラズマ放電を生成するための放電空間Ｓを形成するように対向して配設されている。第１の電極１に高周波電源３を接続して高周波電力を印加し、第２の電極２を接地することで放電空間Ｓにプラズマ放電が開始される。第１の電極１と第２の電極２の間の放電空間Ｓの一端にガス供給口４を設け、ガス配管５を介してガス供給装置６に接続して放電空間Ｓにガスを流通させるように構成され、放電空間Ｓの他端にプラズマ処理を行うための開口部７が設けられている。開口部７に近接して被処理物としての基板８を配置することで、エッチング、成膜、表面改質等の各種プラズマ処理が行われる。
【００３６】
第１の電極１と第２の電極２は両方ともステージ９に固定され、ステージ９は３次元的に位置制御可能な移動装置１０に接続されている。これにより、プラズマ処理を実施しながらステージ９を移動させることで、特定領域にわたり任意のプラズマ密度でプラズマ処理を行うことができる。
【００３７】
ここで、移動装置１０はプラズマ発生部を３次元的に位置制御しながら駆動するため、１次元的に位置制御可能な位置制御機構２４、２５、２６にて構成されている。これら位置制御機構２４、２５、２６は、図２に示すように、ステージ２１がベアリングを有するレールガイド２２にて移動自在に支持されるとともにレールガイド２２に沿って配設されたボールねじ２２ａに螺合され、サーボモータ及び減速ギアを有する駆動装置２３にてボールねじ２２ａを回転駆動することによって移動駆動するように構成されている。
【００３８】
第１の電極１と高周波電源３との間には、プラズマ断続発生制御装置１１が配設され、ステージ９を移動させる際にプラズマ処理を行う領域と行わない領域を制御できるように構成されている。
【００３９】
これを図３を参照して詳しく説明する。まず、図３（ａ）に示すように、第１の電極１及び第２の電極２の間の放電空間Ｓにプラズマ３１を発生させ、このプラズマ３１を基板８に近接することで、基板８上のプラズマ処理領域３２に対してプラズマ処理をすることができる。次に、図３（ｂ）に示すように、プラズマ３１を基板８に対して１次元的または２次元的に相対移動させることで、プラズマ処理領域３２を線とすることができる。また、図３（ｃ）に示すように、移動方向を変化させることにより、プラズマ処理領域３２を様々な方向への線のつながりとして処理することができる。さらに、図３（ｄ）に示すように、プラズマ断続発生制御装置１１にて処理する領域と処理しない領域を制御することで、プラズマ処理領域３２を不連続な領域として処理することができる。かくして、本実施形態によれば、マスクパターンを用いずに、低コストで微小領域を処理し、パターンを形成するプラズマ処理が可能となる。
【００４０】
また、本実施形態において、プラズマ放電を開始させるためには、圧力及び電極間ギャップに対応した適当な電圧が必要となり、これはパッシェンの法則として知られている。パッシェンの法則を本実施形態に適用した場合、放電空間Ｓの圧力Ｐと、放電空間Ｓの厚みＤに対してその積ＰＤが規定され、積ＰＤに対応した最小着火電圧Ｖｓ以上の電圧を対向する電極間に印加することで、プラズマ放電を発生することができる。対向する電極間に過度に高い電圧を印加すると、アーク放電に移行し、電極を損傷する等の恐れがある。そこで、本実施形態では、安全のため対向する電極間に印加する電圧を１ｋＶと規定し、空気に対して積ＰＤとしてはおよそ０．１（Ｐａ・ｍ）〜１２０（Ｐａ・ｍ）の範囲において着火電圧が１ｋＶ以下を満たしていた。このため、積ＰＤとしては、０．１（Ｐａ・ｍ）〜１２０（Ｐａ・ｍ）であるような条件下で処理するのが望ましい。
【００４１】
さらに、本実施形態において、高周波電力の周波数として１ＭＨｚ以下にて処理を行った場合は、電極１、２の損傷が激しく、電極１、２間の距離が変化するため長時間の処理を行うことができず、逆に５ＧＨｚ以上としたときは、プラズマ放電が安定しないため、適当な高周波電源７の周波数は１ＭＨｚ〜５ＧＨｚである。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点のみを説明する。
【００４３】
図４において、第１と第２の電極１、２及びステージ９と移動装置１０が、圧力を減圧または高圧に保持できる耐圧容器１２の中に配置され、耐圧容器１２はガス配管５を介してガス供給装置６に接続され、さらに耐圧容器１２はガス配管１３及び圧力制御装置１４を介して真空ポンプ１５と接続されている。このため、耐圧容器１２内の全体、特に第１と第２の電極１、２間の放電空間Ｓは任意のガスを流通させることができ、また任意の圧力に制御することが可能である。従って、ガス種及び圧力を変化させて処理を行うことができる。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１は、図４の装置構成において、電極１、２間の間隔を１ｍｍとし、ガスとして酸素を用い、有機膜をエッチングした際のエッチングレートの圧力依存性を示したものである。圧力の上昇とともにエッチングレートの上昇がみられ、圧力の制御によるエッチングレートの制御が可能であることが分かる。
【００４６】
また、本実施形態において、プラズマ処理に用いる圧力としては、大気圧の約２倍である２００ｋＰａ以上の場合は比較的強い電磁波を発生することがあるため、本実施形態の装置構成においては２００ｋＰａ以下で処理を行う必要がある。また、１００Ｐａ以下の場合においては、真空ポンプ１５として高価なターボ分子ポンプなどをさらに備える必要があり、結果として高コストとなるため適当でない。従って、圧力Ｐは１００Ｐａ以上、２００ｋＰａ以下で処理するのが望ましい。
【００４７】
さらに、以上に述べた本実施形態においては、プラズマ処理に用いるガスとして酸素を用いた場合についてのみ述べたが、反応性ガス、特にハロゲン元素、酸素、窒素などを含むガス、またはプラズマ放電を開始させやすい希ガスなどであれば容易に処理を行うことができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点のみを説明する。
【００４９】
図５において、第１と第２の電極１、２間の放電空間Ｓの開口部７に近接させて、被処理物として基板８に代えてフィルム１８を配置し、このフィルム１８に対してエッチング、成膜、表面改質等の各種プラズマ処理を行うように構成されている。
【００５０】
フィルム１８は、処理前のフィルム１８を巻回した処理前ロール１６から引き出して供給され、処理後のフィルム１８を処理後ロール１７にて巻き取るように構成されている。
【００５１】
以上の各実施形態においては、第１と第２の電極１、２間の放電空間Ｓを形成したプラズマ発生部をステージ９と３次元移動可能な移動装置１０にて移動させるように構成したものを例示したが、移動装置１０は３次元的に位置制御可能な駆動機構であれば良く、図２で説明した機構に限らず、ダイヤルゲージを用いる方式や圧電素子を用いた駆動機構など、制御の精度や用途に適したものを用いることができる。また、プラズマ発生部と被処理物の位置を相対的に代えれば良いので、上述した機構と同様のものを被処理物側に配設してもよいことは言うまでもない。
【００５２】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について、図６を参照して説明する。図６において、被処理物３３と電極３４をそれぞれ対向して配置し、電極３４の内部に放電空間を構成するガス供給流路３５を設け、その一端のガス供給口４をガス配管５を用いてガス供給装置６と接続し、ガスを電極３４と被処理物３３との間にガス供給流路３５を通して流通させ、ガス供給流路３５を含む電極３４と被処理物３３との間にプラズマ放電を生成するための放電空間を形成している。そして、被処理物３３に高周波電源３を接続して高周波電力を印加し、電極３４を接地することで、被処理物３３と電極３４との間の放電空間にプラズマ放電を発生することができ、かつ電極３４の内部に設けたガス供給流路３５のガス供給口４と反対側の開口部７に近接させて被処理物３３を配置することで、被処理物３３に対してエッチング、成膜、表面改質等の各種プラズマ処理を行うことができる。さらに、図６において電極３４はステージ９に固定され、ステージ９は３次元的に位置制御可能な移動装置１０に接続されているため、プラズマ処理を実施しながらステージを動かすことにより、特定の領域にわたり任意のプラズマ密度でプラズマ処理をおこなうことができる。
【００５３】
以上述べた第４実施形態においては、プラズマ発生部における高周波電源の印加形式のみが、第１〜第３実施形態と異なっているが、形成される放電空間と被処理物との位置関係は等価であり、上記第１〜第３実施形態においてみられた効果は本第４実施形態に適用しても同様に得られることはいうまでもない。
【００５４】
また、被処理物に高周波電力を供給する方式であるため、被処理物に到達するイオンのエネルギーを高めることができるので、より高い速度で異方性に優れたエッチング加工が行えるという利点がある。
【００５５】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理装置及び方法によれば、以上のように第１と第２の電極を対向配置して両電極の間に放電空間を形成し、放電空間にガスを供給し、放電空間の圧力を１００Ｐａ〜２００ｋＰａに保つとともに放電空間の圧力Ｐと放電空間の厚みＤの積ＰＤが０．１〜１２０（Ｐａ・ｍ）とし、着火電圧が１ｋＶ以下になるように制御し、第１の電極に高周波電力を印加することで放電空間にプラズマを発生させ、発生させたプラズマと被処理物を相対的に動かし、発生させた線状のプラズマ処理領域でパターン形成を行うようにしたので、電極間の放電空間にガスを供給して発生させたプラズマにて放電空間に臨む微小領域を処理しつつ動かすことで任意のパターンをマスクパターンを用いずに処理することができ、また放電空間の圧力、及び放電空間の圧力と厚みの関係を上記のように規制することで、高価な真空排気手段を用いずに安価にかつ強い電磁波を発生することなくプラズマ処理でき、また印加電圧を極端に高くすることなく、放電着火してプラズマ処理を開始することができる。
また、着火電圧を１ｋＶ以下に制御するので、プラズマ着火時に対向電極に高い電圧をかけた際に生じるアーク放電を回避でき、電極の損傷を抑制することができる。
また、移動装置が、フィルム状の被処理物を巻き取るロールを有すると、フィルム状の被処理物を処理するのに好適である。
【００５６】
また、放電空間の一端からガスを供給し、放電空間の他端の開口部に対向して配置した被処理物を処理するようにすると、微小領域の処理に好適である。
【００５７】
また、プラズマを断続的に発生させながら処理すると、任意に断続的なパターンを形成することができる。
【００５８】
また、被処理物の移動装置が、フィルム状の被処理物を巻き取るロールであると、フィルム状の被処理物を処理するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の第１の実施形態の概略構成図。
【図２】同実施形態における移動手段の概略構成図。
【図３】同実施形態における処理工程の説明図。
【図４】本発明のプラズマ処理装置の第２の実施形態の概略構成図。
【図５】本発明のプラズマ処理装置の第３の実施形態の概略構成図。
【図６】本発明のプラズマ処理装置の第４の実施形態の概略構成図。
【図７】第１の従来例のプラズマ処理装置の構成を示す斜視図。
【図８】第２の従来例のプラズマ処理装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１第１の電極
２第２の電極
３高周波電源
６ガス供給装置
８基板（被処理物）
１０移動装置
１１プラズマ断続発生制御装置
１６処理前ロール
１７処理後ロール
１８フィルム（被処理物）
３１プラズマ
３３被処理物
３４電極
３５ガス供給流路
Ｓ放電空間

Claims

高周波電源と、高周波電源に接続された第１の電極と第１の電極に対向する第２の電極と第１と第２の電極間のプラズマ放電を生成するための放電空間とを備えたプラズマ発生部と、放電空間にガスを供給するガス供給装置と、放電空間の圧力が１００Ｐａ〜２００ｋＰａでかつ放電空間の圧力Ｐと放電空間の厚みＤとの積ＰＤを０．１〜１２０（Ｐａ・ｍ）とし、着火電圧が１ｋＶ以下になるように制御する制御装置と、プラズマ発生部と被処理物を相対移動させることでプラズマ処理領域が線状となるようにパターン形成を行う移動装置とを備え、前記移動装置は、フィルム状の被処理物を巻き取るロールを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
プラズマ発生部を被処理物に対して動かす移動装置を備えたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
被処理物をプラズマ発生部に対して動かす移動装置を備えたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
放電空間の一端にガス供給装置を接続し、放電空間の他端の開口部に対向して被処理物を配置したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
プラズマを断続的に発生させるプラズマ断続発生制御装置を設けたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
第１と第２の電極を対向配置して両電極の間に放電空間を形成し、放電空間にガスを供給し、放電空間の圧力を１００Ｐａ〜２００ｋＰａに保つとともに放電空間の圧力Ｐと放電空間の厚みＤの積ＰＤが０．１〜１２０（Ｐａ・ｍ）とし、着火電圧が１ｋＶ以下になるように制御し、第１の電極に高周波電力を印加することで放電空間にプラズマを発生させ、発生させたプラズマに対して、フィルム状の被処理物をロールに巻き取りながら相対的に動かすことでプラズマ処理領域が線状となるようにパターン形成を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。