NLD プラズマエッチング装置の機能および操作方法 大阪府立産業技術総合研究所 生産技術部 特殊加工Ｇ 研究員 福田 宏輝

プラズマエッチング装置を用いた微細加工 マスク 基板 エッチング マスクを除去 リソグラフィーで マスクパターンを形成 幅＝ 0.125μm 周期＝ 0.25μm 石英基板

エッチング 【１】 ウェットエッチング ・・・ 液体薬品で腐食させる 【２】 ドライエッチング （プラズマエッチング） ・・・ イオンをぶつけて加工する ウェットエッチングの例 材料エッチング液 Si HF + HNO 3 + CH 3 COOH SiO 2 HF Au I 2 + KI Ti HF Al 2 O 3 H 3 PO 4 SiN 4 H 3 PO 4 ウェットエッチングとドライエッチングの比較 ウェットエッチングドライエッチング レジストの密着性が損 なわれる レジストの密着性が保 たれる パターンの形状制御が 困難 精密なパターン制御が 可能 選択比が無限にとれる 場合が多い 選択比に制限が多い 微細パターン形成への 適用が困難 微細パターン形成への 適応が可能 ラディエーションダ メージの恐れがない ラディエーションダ メージの恐れがある

幅 広がって余分な部分まで エッチングされる （サイドエッチング） ウェットエッチング 等方性エッチング 深さ 幅＞＞深さ 幅 深さ 幅＜深さ マスク

ドライエッチング（プラズマエッチング） 異方性エッチング 基板 イオンが基板へほぼ垂直に入射 垂直にほれる マスク イオン 幅 深さ 幅＜深さ

プラズマとは・・・ ＋ － Ｎ Ｎ Ｎ Ｎ ＋ ＋ ＋ － － Ｎ プラズマ 密度 ・・・ 10 6 ～ 個 /m 3 温度 ・・・ 10 2 ～ 10 9 K 「プラズマエレクトロニクス」，菅井秀郎，オーム社 原子が電離を起こし、 正イオンと電子に分かれた荷電粒子を含む気体 （例） 自然 ・・・ 恒星，電離層，オゾン，雷， 人工 ・・・ 核融合炉，アーク溶接，蛍光灯，ロウソクの炎

プラズマの生成 イオン核 電子 振動電場 電源 プラズマ 平行板に高周波電圧をかける コイルに高周波電流を流す強い電波を当てる 振動電場の周波数 RF13.56 / 27 MHz VH F 40 / 60 / 100 MHz UH F 0.5 / / 2.45 GHz SH F 9 GHz 電源

高周波 電源 高周波 電源 基板へのイオンの引き込み ＋ － Ｎ Ｎ＋ ＋ － Ｎ プラズマ プラズマ中で基板に高周波をかける 基板に負の電圧がかかる ＋イオンが基板に高速で入射（ほぼ垂直に）

基板との反応 SiO 2 マスク F-F- CF 3 CF 2 e-e- F*F* CF 4 CF 2 CF 4 e-e- e-e- CF 3 様々なイオン やラジカル ラジカル ＋イオンが加速 CF 4 を用いた SiO 2 のエッチングの例 SiO 2 + 2CF 2 → SiF 4 ↑ + 2CO↑ ラジカルが表面に付着し，基板と反応 イオン衝撃のある部分は，反応が活発 異方性エッチングされる

反応性イオンエッチング エッチングには 2 つの側面がある 【 1 】 物理的な側面 ・・・イオンの衝撃で破壊 【 2 】 化学的な側面 ・・・ラジカルと反応 ■ 反応性イオンエッチング (Reactive Ion Etching : RIE) ・・・ 基板材料とガスが反応する ■ スパッタ・エッチング ・・・ イオンの衝撃による破壊のみ （例） Ar ガス ドライエッチングの例 材料エッチング・ガス poly-Si Cl 2, Cl 2 +HBr, Cl 2 +O 2, CF 4 +O 2, SF 6, Cl 2 +N 2, Cl 2 +HCl, HBr+Cl 2 +SF 6 Si SF 6, C 4 F 8, CBrF 3, CF 4 +O 2, Cl 2, SiCl 4 +Cl 2, SF 6 +N 2 +Ar, BCl 2 +Cl 2 +Ar Si 3 N 4 CF 4, CF 4 +O 2, CF 4 +H 2, CHF 3 +O 2, C 2 F 6, CHF 3 +O 2 +CO 2, CH 2 F 2 +CF 4 SiO 2 CF 4, C 4 F 8 +O 2 +Ar, C 5 F 8 +O 2 +Ar, C 3 F 6 +O 2 +Ar, C 4 F 8 +CO, CHF 3 +O 2, CF 4 +H 2 Al BCl 3 +Cl 2, BCl 3 +CHF 3 +Cl 2, BCl 3 +CH 2 +Cl 2, B+Br 3 +Cl 2, BCl 3 +Cl 2 +N 2, SiO 4 +Cl 2 Cu Cl 2, SiCl 4 +Cl 2 +N 2 +NH 3, SiCl 4 +Ar+N 2, BCl 3 +SiCl 4 +N 2 +Ar, BCl 3 +N 2 +Ar Ta 2 O 5 CF 4 +H 2 +O 2 TiN CF 4 +O 2 +H 2 +NH 3, C 2 F 6 +CO, CH 3 F+CO 2, BC 3 +Cl 2 +N 2, CF 4 SiOF CF 4 +C 4 F 8 +CO+Ar F ， Cl ， Br 等のハロゲン系が多い プラズマで分解されたとき、活性の高い分子 （ラジカル）をつくるから

エッチング速度 ■ エッチング速度・・・エッチングガス，エッチング条件，基板の材質に より変化 ■ 特にバイアス・パワーに大きく依存 バイアス・パワーが小さすぎると，エッチングが停止 することもある

選択比 マスク 基板 ■ 選択比・・・エッチングガス，エッチング条件，マスクの材質により変化 （例） 電子線レジスト・・・ 1 ～ 5 ぐらい 選択比の大きくなる条件を選ぶ必要がある ■ エッチング可能な深さ ＝ 選択比 × マスクの膜厚 マスクもエッチングされる ・・・イオン衝撃で破壊される

NLD-800 NLD-800 （ ULVAC 製） ■ NLD (Neutral Loop Discharge : NLD) 方式を採用 ■ 到達真空度＝ 6.7×10 -4 Pa 操作圧力＝ 7×10 -2 Pa ～ 6.7Pa ■ アンテナ電源（最大出力）＝ 13.56MHz （ 2kW ） バイアス電源（最大出力）＝ 13.56MHz （ 1kW ） ■ 基板温度＝ -30 ～＋ 30 ℃ ■ 基板サイズ（最大）＝ φ100mm ■ エッチング均一性（ φ100mm の石英基板，カタログ値） 基板内＝ ±5% 以下 基板間＝ ±5% 以下 ULVAC 製 NLD-800 エッチング装置

磁気中性線プラズマ（ Neutral Loop Discharge : NLD ） NLD （ Neutral Loop Discharge ）の特徴 高密度プラズマ生成が可能（ Pa 台で Ar で cm -3 以上） 良好な均一性 ガス供給口 ポンプ コイル （ RF 用） 磁気コイル 磁気中性線 (Nuetral Loop : NL) RF 基板 磁場＝ 0 Neutral Point

エッチング例 μm Line & Space ，高さ = 0.2μm ( 石英基板 ) の作製 アスペクト比＝ 1.6 レジスト （ NEB-22 A2 ） SiO μm エッチング装置： NLD-800 エッチングガス： CF 4 (20sccm),CH 2 F 2 (11sccm) 圧力： 0.8Pa アンテナパワー： 1500W バイアスパワー： 400W エッチング時間： 18sec エッチング速度： 0.7μm/min 選択比： 1.4 エッチング 0.1μm 0.2μm レジスト除去 レジスト・パターン SiO 2 ・パターン

リフト・オフ ・・・元のレジスト・パターンとポジネガ反転した、金属・パターンが作製できる ポジ型レジスト塗布 （例） ZEP 膜厚＝ 250nm 電子線描画 現像 真空蒸着 （例） Ni ， Cr 膜厚＝ 100nm 溶剤でレジストを除去 （リフト・オフ） 金属膜による逆パターンができる 基板 レジスト

エッチング例 2 0.2μm Line & Space ，深さ = 1.35μm ( 石英基板 ) アスペクト比＝ μm Ni 1.35 μm SiO 2 Ni パターン SiO 2 ・パターン エッチング Ni 除去 エッチング装置： NLD-800 エッチングガス： CF 4 (51sccm) 圧力： 0.4Pa アンテナパワー： 300W バイアスパワー： 100W エッチング時間： 7min エッチング速度： 0.19μm/min

エッチング例 3 Ni マスクを用いた SiO 2 のエッチング ・・・深溝・・・ 0.5μm Line & Space 高さ＝ 2.8μm アスペクト比＝ 5.6 1μm Line & Space 高さ＝ 3.7μm アスペクト比＝ μm NiSiO 2 エッチング エッチング装置： NLD-800 エッチングガス： CF 4 (82sccm),CH 2 F 2 (11 ～ 14sccm), O 2 (3 ～ 5sccm) 圧力： 0.4Pa アンテナパワー： 1200W バイアスパワー： 100W エッチング時間： 7 ～ 9min エッチング速度： 0.4μm/min

マスクの後退 エッチング条件によっては、 マスク端の部分が特にエッチングされ、尖った構造になる場合がある 金属マスク 基板 SiO 2 基板 元パターン： 3μm L&S エッチング例 SiO 2 基板 元パターン： 2μm L&S エッチング例

エッチング例 4 マスクの後退を利用したエッチング例 エッチング装置： NLD-800 エッチングガス： CF 4 (82sccm),CH 2 F 2 (14sccm), O 2 (10sccm) 圧力： 0.4Pa アンテナパワー： 1200W バイアスパワー： 500W エッチング時間： 5min 元パターン：格子構造（線幅： 1μm ） 0.05 μm NiSiO 2 尖った構造の応用例 ① 反射防止構造 ② 型抜きが容易 0.125μm 反射防止効果をもつ表面構造 元パターン： 0.125μm のドット（周期： 0.25μm ）

おわりに ■ 基板サイズ ・・・ ＜ 100mmφ （ 100mmφ のトレーに載せ，エッチングを行います） ■ 材質 ・・・ SiO 2 ， Si の経験あり（その他の材質についてもご相談ください） ■ パターンサイズ 横方向 ・・・ ＞ 0.1μm 縦方向 ・・・ ＜数 μm （横方向のパターンサイズに大きく依存） ■ 使用可能ガス ・・・ CF 4 ， CH 2 F 2 ， CHF 3 ， C 3 F 8 ， C 4 F 8 ， SF 6 ， Ar ， O 2 ， Cl 2 ■ 設計通りの加工を行うことは容易ではなく、また必ず条件出しが必要になります。 どうぞ、ご相談ください。