Radical Controlled Plasma and Its Application

Abstract

17 491  1 名古屋大学工学研究科電子情報システム専攻（〒464 8603 名 古屋市千種区不老町） Fig. 1 EEDF and dissociation cross section as a function of electron energy. The EEDF with an electron temperature of 3 eV is shown. The generation of radicals is mainly deter-mined by EEDF and dissociation cross section of feed gas. The reactive plasma processing has played important roles in etching, deposition and surface modiˆcation and sustained the basis of all science and technologicaîelds. However, the plasma processing has been developed by using external parameters of apparatus such as power, pressure and gas ‰ow rate and so on in the industriaîelds since the species, in particular, radicals in the plasma have not been able to be measured. For past 15 years, however, many diagnostics tools to measure radicals in reactive plasmas have been developed. Particularly, the measurement of radicals enabled to make a new approach for developing of plasma processing, where the plasma is precisely controlled on the basis of measured results of radicals. In this article, the radical controlled plasma and its applica-tion, where the high performances are obtained based on insights into behaviors of radicals in the reactive plasma, is described. . は じ め に 反応性プラズマプロセスは，エッチング，薄膜形成，表面 改質を実現する基幹技術であり，あらゆる産業の基盤を支え ている最先端ナノ科学技術となっている．このプラズマは， 反応性ガスに電子が衝突することによって生成され，プラズ マ中には多種多様のラジカルやイオンという活性種が存在 し，これらの粒子と固体表面との相互物理化学反応によって エッチングや堆積が生じる．これまで，これらの活性種の中 でも，ラジカルは電気的に中性であるため，種類や密度を計 測することが非常に困難であった．したがって，反応性プラ ズマ中のラジカルの挙動についてはブラックボックスのまま であり，研究開発ではプラズマ装置のパラメーターである圧 力，電力，流量などを変化させながら，試行錯誤的な手法で 半導体微細加工や高機能薄膜合成の最適条件を見出すという 手法がとられてきた． しかしながら，現在ではエッチング加工精度や薄膜構造の 精度がナノスケールに突入し，将来は原子レベルでの制御が 必要不可欠になっている．したがって，反応に寄与する粒子 をモニタリングして，粒子を直接制御するアプローチが必要 になっている． この約15年間に亘って，プラズマ中のラジカルを計測す る技術が確立され，いよいよプラズマ中のラジカルの挙動を 計測し，その知見に基づいて反応性プラズマを制御するアプ ローチが実現されつつある 1 3) ．我々は，この手法を 「スマー トプラズマプロセス」と命名し，研究開発を推進してき た 4) ．本論文では，スマートプラズマプロセスの一端とし て，反応性プラズマ中のラジカル計測結果を示しながら，ラ ジカル制御プラズマに対する幾つかの事例とその応用につい て概説する． . ラジカル制御技術 . 電子衝突による生成過程の制御 反応性プラズマ中のラジカルは，主として導入する原料ガ スと電子との衝突によるガスの解離によって生成される．あ る原料ガスが，電子の衝突を受ける頻度（電子衝突周波数） は，kn e n g で表される．したがって，単位体積毎秒あたりの 電離あるいは解離による活性種の生成速度 G は，次式で表 される． G＝kn e n g （2 1) ここで，n g と n e はそれぞれ原料ガスおよび電子密度である． さらに最も重要なパラメーターは，k で表された衝突過程 の速度定数であり，次式で表される． k＝ f s(E)･v･f(E)dE＝ 〈sv〉 （ 2 2) 上式において，E はプラズマ中の電子のエネルギー， s(E）は電子と原料ガスとの衝突過程の断面積（電子が衝突 したときに電離あるいは解離を起こす確率） ，v は衝突時の 18 492 Fig. 2 Densities of ‰uorocarbon radicals and feed gases as a function of microwave power in ECR etching plasma. The ‰uorocarbon radi-cal densities are measured by infrared diode laser absorption spectroscopy and dependent on kinds of feed gases.