JPH01297141A

JPH01297141A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH01297141A
Application number: JP63125794A
Authority: JP
Inventors: Soichiro Kawakami; 総一郎川上; Masahiro Kanai; 正博金井; Takashi Arai; 新井　孝至; Tsutomu Murakami; 勉村上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-05-25
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1989-11-30
Also published as: DE68927134T2; US5038713A; EP0343602A3; EP0343602A2; CN1038673A; DE68927134D1; CN1029992C; EP0343602B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する技術〕本発明は、マイクロ波による放電を利用したマイクロ波
プラズマ処理装置、及びその制御方法に関する。より詳
しくは、本発明は、特に堆積膜形成及びエツチングに好
適な改善されたマイクロ波プラズマ処理装置に関する。

〔従来技術の説明〕

従来知られているプラズマＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、（ｉ）２
００〜４００°Ｃの低温で堆積膜を形成できる、（１１
）基板の耐熱性が要求されない、などの長所を有するこ
とから半導体プロセスの絶縁膜としての二酸化ケイ素や
窒化ケイ素、太陽電池や密着型イメージセンサあるいは
感光ドラム用のアモルファスシリコン（ａ−３ｉ）膜、
ダイヤモンド薄膜の形成に応用されている。従来のプラ
ズマＣＶＤ装置は、平行平板型の対向する２電極間にラ
ジオ波（ＲＦ）を投入し、プラズマを発生するものが主
流であり、ＲＦプラズマＣＶＤ装置は構造が簡単である
ため、容易に大型化しやすいという長所を有している。

しかしながら、従来のＲＦプラズマＣＶＤ法については
、一方では次のような欠点も有している。

すなわち、い）基板側にイオンシースが形成され、負に
自己バイアスが現われ、プラズマ中のイオン種はカソー
ド側に引きつけられて、基板の配置されたアノードへの
イオン種の入射衝撃は和らぐが、依然として、基板面へ
のイオン種の入射が存在し堆積膜中に取り込まれ、内部
応力や欠陥密度の増大をもたらす原因となり、良質な堆
積膜が得られていない。（ｉｉ　）電子密度がｌＯｓ−
１０Ｉ０と低いため、原料ガスの分解効率がそれほど大
きくなく、堆積速度が小さい＊（ｉｉｉ）電子温度が〜
４　ｅＶと低いため、ハロゲン化ケイ素化合物のような
結合エネルギーが高い原料ガスは分解されにくい。

近年、上記ＲＦプラズマＣＶＤ法の欠点を改善すべ（、
高密度プラズマを効率的に生成することができ、同時に
被処理体を加熱することも可能である２、４５ＧＨｚ程
度のマイクロ波を用いたプラズマ処理方法、及びその装
置がいくつか提案され、二酸化ケイ素薄膜、窒化ケイ素
薄膜、ａ　　Ｓｉ薄膜、ダイヤモンド薄膜等の薄膜の堆
積法、及びシリコン膜のエツチング法が検討されている
。

ところで、従来のマイクロ波プラズマ処理装置は次の２
つのタイプに大別することができる。

即ち、その１つのタイプは特公昭５８−４９２９５号公
報、特公昭５９−４３９９１号公報、実公昭６２−３６
２４０号公報等にみられるタイプのものであって、方形
または同軸導波管にガス管を貫入させるか或いは接触さ
せてプラズマを生起せしめる方式のものである。〔以下
この方式を、゛′方式１−ＭＷ−プラズマ処理装置”と
いう。〕他のタイプは、特開昭５７−１３３６３６号公
報等にみられるタイプのものであって、空洞共振器中で
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を惹起せしめ、発散
磁界でプラズマを引き出す方式のものである。〔以下こ
の方式を、゛方式２−ＭＷ−プラズマ処理装置”という
。〕方式１−ＭＷ−プラズマ処理装置については、第３図に
示されるものを代表的なものとして挙げることができる
（実公昭６２−３６２４０公報参照）。

即ち、方式１−ＭＷ−プラズマ処理装置は、第３図に示
されるように、真空系、排気系、マイクロ波導入系で構
成されるものである。

第３図にあって、真空系は、反応器３０７と、ガス輸送
管３０７ａを介して接続した内径４０鳳葛程度のマイク
ロ波透過性の管（例えば石英管）或いは窓とで構成され
ている。前記石英管（或いは窓）は第１のガス導入パイ
プと接続し、同時にマイクロ波導波管と直交している。

そして反応器３０７内には、第２のガス導入パイプが接
続され、導入されたガス（シランガス）は排気系（３０
７ｂ、３０Ｂ）により排気されるようにされている。当
該装置にあっては、第１のガス導入バイブから導入され
たガス（０２ガス又はＮ２ガス）は、マイクロ波放電に
よりプラズマ化される。マイクロ波エネルギーによる放
電に際しては、摺動短絡板（−プランジャー）３０５を
動かしてマイクロ波入力インピーダンスの整合をとり得
るようにされている。かくして生成するプラズマ中のラ
ジカルが前記の第２のガス導入パイプを介して導入され
るシランガスと反応し、試料基板３０９上にＳｉＯ２ま
たはＳｉＮ等の膜形成がなされるところとなる。

方式２−ＭＷ−プラズマ処理装置については、第４図に
示されるものを代表的なものとして挙げることができる
（特開昭５７−１３３６３６号公報参照）。この装置は
、電磁石４０７を使用する放電空間以外の構成、形態は
上記の方式１−ＭＷ−プラズマ処理装置の場合と同様で
ある。即ち真空系は、円筒形状のプラズマ化室４０１と
それに接続された反応室４０２とで構成され、前記プラ
ズマ化室にはマイクロ波導入窓４０３が該室内に真空に
保持されるようにして設けられている。プラズマ化室４
０１には、第１のガス導入パイプ４０６及びマイクロ波
導波管４０４が接続され、該プラズマ化室はその外周に
設けられた水冷バイブ４０５を介して水冷されるように
されている。

また、第４図に図示の装置にあっては、プラズマ化室４
０１と同心状になるように電磁石４０７が配置されてい
て、その磁力線の方向は、マイクロ波の進行方向と同し
であり、この磁場とマイクロ波の電場を直交させて電子
サイクロトロン運動がなされるようにされている。この
ため、プラズマ化室４０１はＴＥ＋＋ｔ（ｔ：自然数）
モードの空洞共振器となるように設計されている。また
反応室４０２には、第２のガス導入パイプと排気系とが
接続されていて、該堆積室内のガスは前記排気系を介し
て排気される。

第４図の装置構成で代表される方式２−ＭＷ−プラズマ
処理装置にあっては、堆積装置として用いる場合、−例
として、第１のガス導入パイプ４０６を介して導入され
るガス（Ｈｚガス）がマイクロ波エネルギーによる放電
に付されてプラズマ化される。そして８７５ガウスの磁
場のとき、マイクロ波エネルギーの反射波はほとんどゼ
ロになる。もっとも当該装置では、チョーク構造を持つ
空洞共振器の端面板４１１を真空中で移動させ、ガス種
、ガス圧、導入するマイクロ波電力によって空洞共振器
の条件を満たせるようにされている。

上記の水素プラズマは、電子サイクロトロン運動を行い
ながら磁力線の方向に沿って輸送され、該プラズマ中の
ラジカルが、第２のガス導入パイプを介して導入される
ガス（シランガス）と反応し、基板４０８上にａ−３ｉ
　の膜形成がなされるところとなる。

しかしながら上述の従来の方式１−ＭＷ−プラズマ処理
装置にしろまた方式２−ＭＷ−プラズマ処理装置にしろ
、いずれも上述する解決を要する問題点が存在する。

即ち、方式１−ＭＷ−プラズマ処理装置については、（
ｉ）安定した放電を得るために、放電圧力を０．０５　
Ｔｏｒｒ程度以上に、制御するか、あるいは放電を起こ
しやすいイオン化断面積の大きいガス種を用いる必要が
あること、（ｉｉ　）それが膜堆積装置である場合、投
入するマイクロ波電力を上げて膜堆積速度を早めようと
すると、石英管と導波管とのクロス部分に電界が集中し
て石英管がス。

バッタリングされるところとなり、８亥スパンタリング
による不純物が堆積膜中に取り込まれて、良質な特性の
堆積膜が得られない等の問題点がある。

また、方式２−ＭＷプラズマ処理装置については、前述
のスパフタリングに係る問題点はなく、１０−’Ｔｏｒ
ｒ程度の圧力の低い領域での放電も可能ではある。しか
しながら、−例として、Ｈ，ガスとシランガス（ＳｉＨ
＝）を用いての　ａ　−３ｉ膜の形成では、（ｉｉｉ　
）堆積反応が進行するとともにマイクロ波導入窓側にａ
−３ｉ膜が付着し、インピーダンス整合、放電維持が困
難になってくること、（１■）マイクロ波導入窓４０３
と導波管４０４が締結・固定されているため、空洞共振
器の軸長を変えるには真空中で端面板４１１を動かさな
ければならず、作業は容易ではないこと、（ｖ）装置と
してＥＣＲ条件の磁界を発生するコイルを使用するため
重量が重く、装置価格が高価であること等の問題点があ
る。

〔発明の目的〕

本発明は、従来のマイクロ波プラズマ処理装置に係る上
述の各種問題点を排除し、操作性及び生産性がよく、所
望のａ−３ｉ等の薄膜半導体を効率に製造することがで
きる改善されたマイクロ波プラズマ処理装置を提供する
ことを主たる目的とするものである。

本発明の他の目的は、従来のマイクロ波プラズマ処理装
置に見られる上述の問題が解決されて、操作性及び生産
性よく被処理物のドライエツチングを行うことを可能に
するマイクロ波プラズマ処理装置を提供することにある
。

本発明の更に他の目的は、ＥＣＲ方式のような大型の電
磁石を用いることなくして、イオン化断面積の小さなガ
ス種にもかかわらず低圧力領域で、かつ反射電力を抑え
、低電力で安定に放電を行うことができるマイクロ波プ
ラズマ処理装置を提供することにある。

〔発明の構成・効果〕

本発明者らは、従来のマイクロ波プラズマ処理装置に係
る上述の各種問題点を解決し前記目的を達成すべく鋭意
研究を重ねて本発明を完成するに至った。

本発明により提供される装置はつぎのとおりの構成のも
のである。即ち、真空容器、該真空容器内にマイクロ波
立体回路を介してマイクロ波を導入する手段、該真空容
器内に原料ガスを供給する手段、該真空容器内を排気す
る手段および該真空容器内に試料基板を維持するための
試料ホルダーとからなるマイクロ波プラズマ処理装置で
あって、前記マイクロ波立体回路中に２つの整合回路と
一体化した空洞共振器を設け、かつ、前記空洞共振器の
外部に磁界発生器を設けたことを特徴とするマ・イクロ
波プラズマ処理装置である。

本発明の装置の主たる特徴は、次の（イ）乃至（ハ）の
点にある。即ち、（イ）空洞共振器の軸長を調整するプ
ランジャーと、円筒型空洞共振器のマイクロ波導入部分
の円筒面スライド式絞りＥ−Ｈチューナーあるいはスリ
ー・スタブ・チューナーによる整合回路で整合を容易に
した点、（ロ）該空洞共振器内にベルジャーを貫入させ
て、ＴＭモードを励振する構造にした点、そして（ハ）
該空洞共振器外部に磁界発生器を設け、該空洞共振器内
部の放電空間に磁束密度の大きな領域を作った点である
。

本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置における上記
（イ）、（ロ）及び（ハ）の点を主体に当該本発明の装
置の内容を以下に説明する。

上記（イ）の点の装置構成は、マイクロ波の位相・振幅
に応じて適宜調整できる２つの整合回路を設けることに
より達成できる。なお、該整合回路と空洞共振器の間に
は定在波のエネルギーが蓄積するところとなるので、該
間隔を可及的に短縮することが望ましい。このところの
特に望ましい態様では、整合回路と空洞共振器を一体化
させ、２つの整合回路の中の少なくとも一方を空洞長可
変プランジャーにする。

ところで上述の反射マイクロ波の位相・振幅は、主とし
て、プラズマ密度とマイクロ波の給電回路の形状に依存
する。

即ちプラズマ密度については、ガス種・ガス圧或いは導
入するマイクロ波電力によって変化し、このときプラズ
マの複素屈折率ｎ−４ｋ（０＜ｎく１、ｋは吸収係数）
も変化する。従って、常に空洞共振器として動作させる
には、ｎ、にの効果を打消す必要がある。

ｎの効果を打消すには、空洞内径を変化させることが難
しいので空洞内径がｎ倍（Ｑ＜ｎ＜ｌ）細くなった分を
空洞共振器長（Ｌ）を伸ばして打消せばよい。

共振周波数（ｒ　＝２．４５ＧＨｚ）、共振ｒｓｔモー
ド（Ｔ　Ｍ　ｒｓ　ｔ）及び空洞内径（ｎＤ）が決まれ
ば新たな空洞長の空気換算値（Ｌ′）は次式で求まる。

式中Ｙｒｓはヘソセル関数Ｊｒ（ｙ）＝Ｏの根であり、
Ｃは光速である。

式（１）からしても明らかなように、ｎの変化量に応じ
て空洞共振器長りを調整することによりｎの効果を打消
すことができる。

また、ｋの効果、即ち、反射波の振幅と位相遅れδを打
ち消すについては、２つの整合回路を調整することによ
り行われる。

実際には、ｎ、には相互に従属関係にあるので一組の（
ｎ、ｋ）に対して空洞共振器長し及びスライド式絞りを
調整すればよい。

一方、マイクロ波の給電回路の形状により生ずる反射波
も、２種の整合回路を使用することにより効率的に整合
できる。

上記（ロ）の点の装置構成は、第１図に示すように方形
導波管と円筒空洞共振器の軸が直交するように締結する
ことにより達成できる。かくすることにより、空洞共振
器長を変化させる場合に導波管が邪魔になることはない
。そして、円筒空洞共振器には、ＴＭｏ＋ｎ　　（ｎ　
：自然数）が励振され、大気中であっても空洞共振器長
を変えることができ、作業効率も良好になる。

上記（ハ）の点の装置構成は、上記空洞共振器の外部に
中空の円筒型磁界発生器を設けることによって達成でき
、空洞共振器内の放電空間に磁束密度の高い領域を作り
出すことができる。該磁界発生器は、大きく分けて、永
久磁石と電磁石があり、具体的には、第２（Ａ）乃至（
Ｄ）図に示す永久磁石を同心円状に配列したものや、第
２（Ｅ）乃至（Ｆ）図に示すリング状の永久磁石を配列
したものと、第２（Ｇ）乃至（Ｈ）に示す空心ソレノイ
ドコイルからなる電磁石がある。第２図中の上図と下図
はそれぞれ側面、上方より見た概略構成図で、図中のＮ
、Ｓは磁極を示す、前記永久磁石としては、保磁力と残
留磁束密度の大きいものが適しており、中でも希土類系
あるいはフェライト系の磁石が好適である。上記電磁石
としては、中心磁束密度として好ましくは５０ガウス以
上のもの、より好ましくは１００ガウス以上のものがよ
い。

第２（Ｇ）図と第２（Ｈ）図はそれぞれ電磁石を１組、
および２＆１１組み合わせた場合のもので、特に第２（
Ｈ）図の場合は、２組の電磁石の電流極性を変えること
によって磁極を変えて、ミラー型あるいはカスプ型の磁
場を得ることが可能である。

本発明のマイクロ波プラズマ処理装置に使用する磁界発
生器の放電空間での磁束密度は、必ずしもマイクロ波の
周波数に対して電子サイクロトロン共鳴が得られる磁束
密度である必要はない。電磁石を使用する場合、発生す
る最大磁束密度を高めるについては、それに応じてコイ
ルの巻数を増す必要がありはするものの、流す電流を制
御することによって所望の磁束密度を得ることができる
。

こうしたことから、マイクロ波プラズマ処理装置の磁界
発生器として、コンパクト性及び低コストを重視する場
合は、永久磁石を組み合わせたものを、磁束密度の制御
を重視する場合ば電磁石を用いるのが、より好ましい。

本発明は、上記磁界発生器の装着により、先に本山別人
から提案されたマイ１クロ波プラズマ処理装置の性能が
著しく改善され、放電圧力の低圧化、反射電力の低減、
放電維持電力の低電力化、が達成可能になる。

以下、本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置を図示
の装置例により詳しく説明するが、本発明はそれらによ
り、何ら限定されるものではない。

簡単のため、円筒空洞共振器を用いた場合に限って説明
することにするがこれらにより本発明は限定されるもの
ではない。

本発明の装置の一例を、第１図の模式的透視概略図に示
す。

第１図において、１０１は方形導波管、１０２は円筒空
洞共振器、１０３は空洞共振器の軸長可変プランジャー
、１０４は円筒面スライド式絞り、１０５はマイクロ波
透過性のベルジャー、１０６はマイクロ波反射部材、１
０７は反応室（又は堆積室）、１０８は試料基板、１０
９は試料ホルダー、１１０，１１１はガス導入パイプ、
１１２はガス排気口、１１３はパワーモニターからフィ
ードバック制御回路が接続された軸長可変プランジャー
の駆動装置、１１４は磁界発生器をそれぞれ示す。

第１図に図示の本発明の装置は、要するに空洞共振器型
マイクロ波プラズマ処理装置であり、マイクロ波発振器
（図示せず）、マイクロ波立体回路（図示せず）、空洞
共振器、マイクロ波透過性のベルジャーで構成されたプ
ラズマ他室ガス導入パイプ（１１０，１１１）とガス排
出口１１２とを具備した反応室とで構成される。

第１図において、円筒空洞共振器１０２の材質は、マイ
クロ波の表面電流によるオーム…を少なくするため、電
気抵抗率の小さいものを使用することが好ましい。また
、空洞長可変プランジャー１０３が嵌合しながら動くの
で摩耗にも強くなければならない。従って、銅、真ちゅ
う、或いは銀、銅または金メツキしたステンレス鋼等の
材質のものが望ましい。中でも、銀メツキしたステンレ
ス鋼が最適である。

この円筒空洞共振器１０２は、その回転軸と方形導波管
中心軸とが直交するように締結されており、方形導波管
１０１のＨ５゜（ＴＥ＋ｏ）モードを円形導波管のＥ　
ｏ　＋　（Ｔ　Ｍ　ｏ　＋　）モードへ変換している。

この空洞共振器１０２は、２つの整合回路と一体化され
ており、１つは空洞共振器長可変プランジャー１０３、
もう１つは円筒面スライド式絞り１０４である。

空洞共振器長可変プランジャー１０３は、空洞共振器１
０２の軸に沿って移動可能であり、例えば、モーター１
１４で駆動すればよい。前記プランジャー１０３と空洞
共振器１０２の間の異常放電を防ぐためりん青銅型のば
ね材で接触を良好にしている。

円筒面スライド式絞り１０４は、方形導波管１０１と空
洞共振器１０２のクロス部に左右一対配置する。この絞
りの動く方向は、図中に矢印で示すように、方形導波管
１０１の長手方向であり、２つの絞りは各々独立に円筒
面に沿って回転スライドできる構造になっている。この
絞りと空洞共振器１０２とは、前記プランジャーの場合
と同様の接触方法をとっている。

前述の空洞共振器１０２の外部には、第２（Ａ）乃至（
Ｈ）図の中から選ばれるＥｆｉｌ界発生器１１．４がベ
ルジャー内の放電空間に磁場を形成するように設けられ
る。

前述の空洞共振器１０２（例えば、内径φ１２０ｍｍ）
の中には、マイクロ波透過性のベルジャー１０５が貫入
している。このペルジャ−１０５は、反応室１０７と接
続しており、ベルジャーのフランジ面には真空封止用の
８リング（又は金属シール材）とマイクロ波反射部材１
０６が設置されていて、これによりマイクロ波は反射さ
れ、ガスはベルジャー１０５と堆積室１０７間を往来で
きるようになっているこのベルジャー！０５は石英（Ｓｉｎ２）、アルミナ・
セラミックス（ＡＮｚＯ！、窒化ボロン（ＢＮ）、窒化
珪素（ＳｉＮ）のいずれかの材質でできている。

また、マイクロ波反射部材１０６は、銀、銅または金メ
ツキ（特に根メツキが最適である）された金属に多数の
孔が穿孔された多孔板であり、例えば、開孔率６０％の
φ６謳の円孔のあいた厚さ０、８　鴫のアルミニウム製
多孔板いわゆるパンチングボードである。この多孔板は
異常放電を抑制するため、反応室１０７にビスで締結さ
れている。

このような多孔板の代用として、エキスバンド・メタル
を使用しても良い。

反応室１０７内には試料基板１０８、試料ホルダー１０
９及び２木のガス導入パイプ１１０．１１１があり、そ
のうちの１本（１，１０）は、マイクロ波反射部材２６
を貫通し、その先端がベルジャー１０５の内部に開放さ
れており、もう１本（＋１１）は、その先端がリング状
で、多数のノグル孔よりガスが噴出するようになってい
て、ベルジャー１０５と基板サセプタ１０９の間に設置
されている。

反応室１０７は不図示の排気ポンプに接続していて、こ
れにより排気が行われる。

以上の説明した本発明のマイクロ波プラズマ処理装置を
作動するに当たっては、先ず、作動に先立って、初期放
電が起こり易くなるように、空洞共振器長をｍ／２×λ
（ｍ：自然数）より若干短（設定しておく。このところ
は、具体的には、ヘルジャ−１０５が内蔵された状態で
空洞共振器となるように、予めネットワーク・アナライ
ザー（ヒューレント・パソカード社製）で測定して短く
する方法を決めて行われる。

即ち、ヘルジャーが例えば肉厚３ｍｍ、径φ７０帥、高
さ１００［Ｉ＋１！１のサイズ及び肉Ｋ　３　ｍｍ　、
径φ１１０ｍｍ、高さＬｏｏｍｍのサイズのものである
場合、短縮距離は各々３謔及び４胴であり、空洞共振器
の軸長は２９１（ト）及び２９０ｍである。

本発明のマイクロ波プラズマ処理装置により、つぎのよ
うな作用効果がもたらされる。即ち、ＥＣＲ条件はど大
きな磁束密度の磁界を用いないで１０−”Ｔｏｒｒ以下
の低圧力領域で、（＋）Ｈｔ。

Ｈｅ等のイオン化断面積の比較的小さいガス種でも、単
独で、安定に放電できる、（１１）放電維持電力を下げ
ることができる、そして（ｉｉｉ　）反射電力を低減で
きる。

次に、本発明の一例である第１図のマイクロ波プラズマ
処理装置の操作方法を説明する。

まず、不図示の排気ポンプにより、ベルジャー１０５内
、及び堆積室を所定の圧力下まで排気した後、ガス導入
パイプ１１０、あるいは１１１からベルジャー１０５内
にプラズマの発生に用いるガスを導入し、プラズマ発生
装２１１４（第２（Ａ）乃至（Ｈ）図）により磁界を印
加し不図示のマイクロ波発振器から投入されたマイクロ
波電力を導波管１０１を介して空洞共振器１０２内に導
入する。続いて、マイクロ波のパワー・モニターの反射
電力を低く抑え、かつ安定に放電が起きるように、空洞
共振器の軸長可変プランジャー及び円筒面絞りを反射電
力フィードバック制御機構により調整する。（円筒面絞
りの代りにＥ−Ｈチューナーまたはスリー・スタブ・チ
ューナーを用いてもよい。）かくなる状態で所定時間操
作した後、マイクロ波電力の供給を停止させ、そして操
作を終了させる。

本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、薄膜堆積装置
及びドライエツチング装置として好適に使用できる。

本発明の装置を被処理物をドライエツチング処理するに
ついて使用する場合は、上述の操作方法においてエツチ
ングガスをガス導入パイプ１１０から導入して、エンチ
ングを行なう。エンチングガスとしては、ＣＦ、、Ｃ７
Ｆ、、Ｃ，Ｆ、。

Ｃ−Ｃ４Ｆ、（オクタフルオロツクロブタン）。

Ｃ３ＦＩＺ、ＣＨＦｚ、ＣＢｒＦｉ、ＣＣｆｆ１４．Ｃ
Ｃｊ！ｓＦ。

ＣＣ２□Ｆ！、ＣＣｌ２Ｆ、、ＳＦ、、ＮＦｆｆ、Ｂ（
１，。

Ｆ、、Ｃ１，、Ｂｒｚ、ＨＦ、ＨＣｌ２あるいは上記エ
ツチングガスとＨｚ、　　ＯＸ、　　Ｎ２．　　Ｈｅ、
　Ｎｅ、　Ａｒ。

Ｋｒ、Ｘｅなどの混合ガスが、被エツチング材料に合わ
せて用いられる。たとえば、Ｓｉのエツチングガスとし
てはＣＦ４＋０２、ＳｉＯ□のエツチングにはＣＦ４が
一般に使用される。ドライエツチングを行なう際の内圧
は１０−４〜１０−’Ｔｏｒｒであることが好ましい。

本発明の装置を薄膜堆積用に使用する場合は、上述の操
作方法において、（ａ）成膜用の原料ガスをガス導入パ
イプ１１０から４入して、堆積膜を形成する方法と、（
ｂ）ガス導入パイプ１１０からプラズマ発生用の原料ガ
スを反応室（堆積室）１０７に導入し、ガス導入パイプ
１１．１から成膜用の原料ガスを堆積室１０７に導入し
て、堆積膜の形成を行う（ａ）及び（ｂ）の２通りがあ
る。堆積膜形成にいずれの方法を用いるかは、希望する
堆積膜あるいは使用する原料ガスによって適宜選ばれる
。

本発明のマイクロ波処理装置を薄膜の堆積に応用すれば
、アモルファスシリコン、結晶シリコン、アモルファス
シリコンゲルマニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、
アモルファスシリコンカーバイド　ダイヤモンド、各種
有機高分子化合物などの良質な薄膜を形成することがで
きる。

上記の場合に用いられるガスとしては、堆積膜の種類に
応じて以下のようなものが選択使用される。

即ち、アモルファスシリコンあるいは結晶シリコン薄膜
を堆積する場合の原料ガスとしては、たとえばシリコン
原子を含有する、ＳＮ（、。

Ｓｉ、Ｈａ　、　　ＳｉＦ、、　　５ｉＨＦｔ　、５ｉ
ＨｚＦ２゜ＳｉＨ，Ｆ　、Ｓｉ、Ｆ、、５ｉＣｊ２−．
５ｉＨｔＣ１□。

ＳＮ１．Ｃ１などが挙げられる。なお５ｉＣｆｆｉ−な
どの液状のものは、不活性ガスのバブリングなどにより
気化して用いる。プラズマの発生に用いるガスとしては
、上記原料ガスの他にＨ２、Ｆ２゜Ｃ９ｚ、　ＨＦ　、
ＨＣｆｉ　、　Ｈｅ＋　Ｎｅ、　Ａｒ、　Ｋｒ、　Ｘ　
ｅなどが挙げられる。

アモルファスシリコンゲルマニウム薄膜を堆積する場合
の原料ガスとしては、上述のアモルファスシリコンの堆
積に用いるシリコン原子を含有する原料ガスにゲルマニ
ウム原子を含有するＧｅＨ，。

ＧｅＦ＝などを混合したガスを用いる。プラズマの発生
に用いるガスとしてはシリコン原子を含有するガスとゲ
ルマニウム原子を含有するガスの混合ガスの他にＨ２，
Ｆ−、Ｃｆ１ｔ、ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈｅ。

Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどが挙げられる。

窒化シリコン薄膜を堆積する場合の原料ガスとしては、
上述したアモルファスシリコンの堆積に用いるシリコン
原子を含有するガス、または窒素原子を含むＮ、、ＮＨ
ｊ、ＮＦｆｆから選ばれる少なくとも一種類以上のガス
とシリコン原子を含有するガスの混合ガスが用いられる
。プラズマの発生に用いられるガスは、上記原料ガスの
他に、Ｎｉ１ＮＨ，、ＨＦ、、Ｈ２＋　　Ｆ２．ＣＥ□
、ＨＦ、Ｈ（１゜Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどが
挙げられる。窒化シリコンの形成の場合は、原料ガスあ
るいはプラズマの発生用ガス中に少なくとも窒素原子を
含有するガスとシリコンを含有するガスが含まれていな
ければならない。

酸化シリコン薄膜を堆積する場合の原料ガスとしては、
上述したアモルファスシリコンの堆積に用いるシリコン
原子を含有するガス、または、酸素０□とシリコン原子
を含有するガスが用いられる。プラズマの発生に用いら
れるガスは、上記原料ガスの他にＯｔ、Ｈｔ、Ｆｚ、Ｃ
ｆ□、ＨＦ。

ＨＣｌ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどがある。

酸化シリコンの形成の場合は原料ガスあるいはプラズマ
発生用ガス中に少なくと６０２とシリコン原子を含有す
るガスが含まれていなければならない。アモルファスシ
リコンカーバイドｆｉｌ　Ｈａ　ヲｉｆ　ｆｉする場合
の原料ガスとしては、上述したアモルファスシリコンの
堆積に用いるシリコン原子を含有するガス、Ｓｉ（ＣＨ
３）４などのシリコン原子と炭素原子を含有するガス、
または炭素原子を含有するＣＨ，、Ｃ，Ｈ，、Ｃ，Ｈ，
、ＣｔＨ６などから選ばれる少なくとも一種類以上のガ
スと上記シリコン原子を含有するガスとの混合ガスが用
いられる。

プラズマの発生に用いられるガスは上記原料ガスの他に
、炭素原子を含有するガス、Ｈ，、Ｆ２゜Ｃ１ｚ、ＨＦ
、ＨＣｌ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどがある。

アモルファスシリコンカーバイドの形成の場合は、原料
ガスあるいはプラズマ発生用ガス中に少なくとも炭素原
子を含有するガスとシリコン原子を含有するガスが含ま
れていなければならない。

ダイヤモンド薄膜を堆積する場合の原料ガスとしては炭
素原子を含有する　ＣＨ４，ＣｚＨｚ。

ＣｚＨａ＋　Ｃ！Ｈ６＋　ＣＨ３ＣＯＣＨ３，ＣＨ３０
Ｈなどが挙げられる。ＣＨ，Ｃ０ＣＨ，やＣＨ，ＯＨは
不活性ガスのバブリングなどによって気化して用いる。

プラズマ発生用のガスとしては、上記炭素原子を含有す
るガスの他に、Ｈｚ、Ｆｚ、Ｃ１ｔ。

ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどが挙
げられる。

上述の成膜用の原料ガスはプラズマ発生用ガスとして兼
用してもよい。さらに成膜用原料ガスはＨｅ、Ａｒなど
の不活性ガスで希釈して用いてもよい。堆積膜に不純物
を添加する場合は成膜用原料ガスまたはプラズマ発生用
ガス中にＰＨ，、ＰＦＳ。

ＰＦ、、ＰＣｌ３．ＰＣｆｆ、、Ｂ２Ｈ，、ＢＦ、。

ＢＣＮ＊、ＢＢｒｉ＋　ＡｓＦ５．ＡｓＣ１：ｌ、Ａｓ
Ｈｚ。

Ｌ、ＳｂＨ，，５ｂＦｓなどのガスを混合する。アモル
ファスシリコン、結晶シリコン、アモルファスシリコン
ゲルマニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、アモルフ
ァスシリコンカーバイドの薄膜を形成する反応圧力はｉ
ｏ”’〜１０−’Ｔｏｒｒであることが好ましい。

ダイヤモンド薄膜を形成する反応圧力は１０−３〜１０
”　Ｔｏｒｒであることが好ましい。

さらに、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置を用いた
堆積膜の形成及びエツチングにおいて、反応を促進する
ために、熱エネルギーや、光エネルギーを基板表面に付
与することも可能である。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、
本発明はこれらの実施例により限定されるものではない
。

〔放電試験〕

第１図に示した本発明のマイクロ波プラズマ処理装置を
用いて、ベルジャー１０５の径φが１１０ｍｍの場合に
ガス種、圧力領域を変化させ、放電維持の可否、反射電
力、入射電力に着目した放電試験を行った。比較として
、磁界発生装置を取りはずした場合の放電試験及び第４
図に示したマイクロ波プラズマ装置の電磁石を取りはず
した場合のＴＥモードの放ＴＬ試験も行なった。ガスは
Ｈｚ、Ａｒ、５ｉＨｚＣ１ｔを使用し、ガス導入バイブ
１１０から導入した。磁界発生器としては、中心磁束密
度１５０ガウスの第２（Ｂ）図に示す形式のものを用い
た。放電試験の結果を表１にまとめて示す。

さらに第１図においてベルジャー１０５の径φが７０飾
で、中心磁束密度１００ガウスのマイクロ波プラズマ処
理装置を用い、Ｈ２とＡｒの放電を行ない、圧力と放電
維持電力の関係を求めた。結果は、第５図に示した。

表１の結果及び第５図より、磁界発生器を設けた本発明
のマイクロ波処理装置を用いれば、反射電力が低く抑え
られ、かつ、より低圧力領域で更に低電力で放電を生起
することが可能であることがわかる。

なお、第２（Ｂ）図板外の形式の磁界発生器についても
上述と同様の放電試験を行なったところ第２（Ｂ）図に
図示の形式の場合と同様の結果が得られた。

則１ぼＵシ艮健上放電試験に使用した第１図の装置を用い、磁界発生器に
、第２　（Ｇ）図に図示の形成のものを用いて、アモル
ファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜の形式の検討を行なった
。

まず、洗浄したコーニング社製＃７０５９ガラス基板と
高抵抗シリコン単結晶基板を試料ホルダー１０９に装着
し、Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒの高真空領域まで排気し
、第１図に図示していない基板加熱ヒーターで基板温度
を２５０℃に制御した。続いて、５ｉＨｚＣ７！ｚ　５
ＳＣＣＭとＨ２５０Ｓ　ＣＣＭをガス導入パイプ１１０
から導入し、反応室１０７の圧力を０．０５　Ｔｏｒｒ
に制御し、磁界発生器の電流を制御し、ベルジャー１０
５の放電空間の中１０νで磁束密度が２００ガウスにな
るように設定した。次に、周波数２．４５ＧＨｚのマイ
クロ波を２５０Ｗの電力で投入し、１時間反応させて、
膜厚１．２ｚ！ｍのａ−５ｉ膜が得られた。（反応中、
パワーフィードバック機構で反射電力を最小にした。）堆積速度は３，３人／ｓｅｅ　−（：　Ａ　Ｍ　！　　
（１００ｎｖ／ｄ）の光照射による光導電率（δｐ）と
暗導電率（δｄ）の比δρ／δｄは１．ｌＸ１０’であ
った。

別に、磁界発生器を取りはずして、上記実験方法と同様
の方法で、ａ−３ｉ膜を堆積させたところ、堆積速度は
１．５人／ｓｅｃと１／３となりδｐ／δｄは１．４Ｘ
１０３で、シリコン単結晶上に形成したａ−３ｉ膜の赤
外吸収スペクトルから１１００（Ｊｌｌ　−’付近にブ
ロードな吸収ピークが観察された。

これは、磁界発生器を用いない場合には、原料ガスであ
る５ｉＨ２Ｃ６，が十分に分解・反応しないため堆積膜
中にＣＩ！原子が残り、空気中に露出した時点で加水分
解されてＳｉ−〇−の結合を形成した為と推察される。

賄拉汐長國±１第１図の装置において、第２（Ｈ）図に図示の形式で、
かつ第１と第２のソレノイドコイルの形成する磁極が同
一であるミラー型の磁界発生器を取り付けたものを用い
て、ポリシリコン（ｐｏｌｙ　−３ｉ）膜の形成の検討
を行なった。堆積膜形成例１と同様な方法で、＃７０５
９ガラス基板とシリコン単結晶基板を試料ホルダー１０
９に装着し、Ｉ　Ｘ　１０−６Ｔｏｒｒの高真空領域ま
で排気し、基板温度を３００℃に制御し、反応室１０７
の圧力を０、　Ｏ０５Ｔｏｒｒに保ち磁界発生器の電流
を制御し、ベルジャー１０５の放電空間の中心で磁束密
度が２００ガウスになるように設定した。次に、Ｈｚｌ
ＯＯ３ＣＣＭをガス導入パイプ１１０から、５ｉｚＦ６
１０　ＳＣＣＭを７００℃に加熱した後ガス導入パイプ
１１１から導入し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を３０
０Ｗの電力で投入して、１時間反応させた。得られたシ
リコン膜の膜厚は６０００人で、ＲＨＥＥＤ　（反射高
速電子線回折）による結晶性評価の結果、（１１０）シ
リコン単結晶基板上では、エピタキシャル膜が、＃７０
５９ガラス基板上では＜１１０＞配向の多結晶膜が成長
していることが判明した。

堆積膜形成例３窒化シリコン膜の堆積の検討を、第２　（Ａ）図に図示
の形式で中心磁束密度が１００ガウスの磁界発生器を装
着した第１図の装置を使用して行なった。

まず、洗浄した単結晶シリコン基板を試料ホルダー１０
９に装着し、Ｉ　Ｘ　１０−６Ｔｏｒｒの高真空領域ま
で排気した。基板温度を２５０℃に制御し、ガス導入パ
イプ１１０から、Ｎｚ１ＯＯ５ＣＣＭ　、　　Ｎ　Ｈ３
１０Ｓ　ＣＣＭを、ガス導入パイプ１１１から、Ｓ　ｉ
　Ｈａ　　５３　ＣＣＭを導入して反応室１０７の圧力
を０．０２７ｏｒｒに制御し、２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波を２５０Ｗの電力で投入した。３０分間反応の後、
得られた窒化シリコン膜の膜厚は、６８００人であった
。緩衝フン酸液（５０％ＨＦ　：　４０％ＮＨ４Ｆ＝　
１５　：　８５）によるエノチンダ速度は、９２人／ｍ
ｉｎであり、熱ＣＶＤ法によって作成される窒化シリコ
ン膜に近い膜質のものが得られた。

エツチングし放電試験で用いた装置と同一の装置で、窒化ンリコン膜
のドライエツチングの検討を行なった。

単結晶シリコンウェハー上に形成された窒化シリコン膜
にフォトレジスト（東京応化製０ＦＰＲ−８００）を塗
布し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを
形成した。このレジストパターンでマスクされた窒化シ
リコン基板を試料ホルダー１０９に装置し、Ｉ　Ｘ　Ｉ
　０−５Ｔｏｒｒまで排気し、ＣＦ、５０３ＣＣＭをガ
ス導入パイプ１１０から導入し、反応室１０７の圧力を
０、００５　ＴｏｒｒにＩＩ　ＪＢし、２．４５ＧＨｚ
の”マイクロ波を３００Ｗの電力で投入した。５分間エ
ツチング反応を行ない、窒化シリコン基板を取り出し、
ｌノジストを除去した後窒化シリコン膜の段差を測定し
てエツチング速度を計算すると、１１００人／ｍｉｎで
あった。

磁界発生器を取りはずした以外は、上記エツチング反応
を同様の方法で行なった結果、エツチング速変は４７０
人／ｍｉｎであり、磁界発生器の装着効果が明らかとな
った。

堆積膜形成例１，２．３．では、それぞれアモルファス
シリコン、ポリシリコン７窒化シリコンの形成例を、エ
ツチング例１では窒化シリコンのエツチング例を示した
が、これらに限らず酸化シリコン、アモルファスシリコ
ンカーバイド、タイヤモンド等の形成や金属等の種々の
エツチングにも有効である。

〔発明の効果の概要〕

以上説明したように、本発明によれば従来のマイクロ波
プラズマ処理装置の各種問題点が解決され、ガス種のイ
オン化断面積やガス圧力に影響されることなく、マイク
ロ波電力が有効に利用され安定に放電を起こすことが可
能になる。

さらに、本発明は薄膜堆積装置及びドライエツチング装
置に応用でき、良質な半導体、絶縁膜の形成と各種材料
のエツチングを生産性よく、低コストで実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の典型的
−例を模式的に示す透視概略図である。第２　（Ａ）図乃至第２　（Ｈ）図は、本発明の装置に
おける磁界発生装置の概略構成図である。第３図及び第４図は従来のマイクロ波プラズマ処理装置
の概略構成図である。第５図は本発明の装置についての放電試験の結果をまと
めたものである。第１図について、１０１・・・方形導波管、１０２・・
・空洞共振器、１０３・・・空洞共振器の軸長可変プラ
ンジャー、１０４・・・円筒面スライド式絞り、１０５
・・・マイクロ波透過性ベルジャー、１０６・・・マイ
クロ波反射部材、１０７・・・反応室、１０８・・・試
料基板、１０９・・・試料ホルダー、１１０゜１１１・
・・ガス導入パイプ、１１２・・・ガス排出口、１１３
・・・パワーモニターからフィードバック？ｔ＋ＩＩ？
卸回路が接続された軸長可変プランジャーの駆動装置、
１１４・・・磁界発生器。第２図について、２００・・・永久磁石、２０１・・・
ソレノイドコイル。第３図について、３０１・・・マイクロ波発振器、３０
２・・・アイソレーク−１３０３・・・パワーモニター
、３０３ａ・・・指針計、３０４・・・整合器、３０５
・・・プラズマ発生炉、３０６・・・摺動短絡板、３０
７・・・反応器、３０７ａ・・・ガス輸送管、３０７ｂ
・・・排気管、３０８・・・排気装置、３０９・・・試
料基板。第４図について、４０１・・・プラズマ化室、４０２・
・・反応室、４０３・・・マイクロ波導入窓、４０４・
・・マイクロ波導波管、４０５・・・水冷パイプ、４０
６・・・第１ガス導入バイブ、４０７・・・電磁石、４
０８・・・試料基板、４０９・・・試料ホルダー、４１
０・・・プラズマ流、４１１・・・空洞共振器端面板。第２（Ａ）図第２（Ｂ）図第２（Ｃ）図第２（Ｄ）図第２（Ｅ）図第２（Ｆ）図　− 第２ＣＧ）図第２（Ｈ）図第３図第４図口　　　　　４０９第５図放電維持電力（Ｗ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）真空容器、該真空容器内に、マイクロ波立体回路
を介してマイクロ波を導入する手段、該真空容器内に原
料ガスを供給する手段、該真空容器内を排気する手段お
よび該真空容器内に試料基体を維持する為の試料ホルダ
ーとからなるマイクロ波プラズマ処理装置であって、前
記マイクロ波立体回路中に２つの整合回路と一体化した
空洞共振器を設け、該空洞共振器内部に設けられた放電
空間内に磁界を発生させる為の磁界発生器を該空洞共振
器の外部に設置したことを特徴とするマイクロ波プラズ
マ処理装置。
（２）前記の空洞共振器と一体化した整合回路が空洞共
振器の軸長可変プランジャー及びスライド式絞りである
ことを特徴とする請求項（１）に記載のマイクロ波プラ
ズマ処理装置。
（３）前記空洞共振器が円筒型のものであり、且つ前記
スライド式絞りが円筒面スライド式絞りであることを特
徴とする請求項（２）に記載のマイクロ波プラズマ処理
装置。
（４）前記空洞共振器が方形空洞共振器であり且つ前記
スライド式絞りが平面スライド式絞りであることを特徴
とする請求項（２）に記載のマイクロ波プラズマ処理装
置。
（５）前記マイクロ波を導入する手段が連続発振のマイ
クロ波発振器からなり、前記空洞共振器内にマイクロ波
透過性で放電空間を形成するためのベルジャーを貫入し
てなることを特徴とする請求項（１）に記載のマイクロ
波プラズマ処理装置。
（６）前記スライド式絞りに代えて、空洞共振器に隣接
して、Ｅ−Ｈチューナー又はスリー・スタブ・チューナ
ーを配置したことを特徴とする請求項（１）に記載のマ
イクロ波プラズマ処理装置。
（７）請求項（１）に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ
装置にあって、パワー・モニター手段をマイクロ波立体
回路中に設置し、該パワー・モニター手段からする信号
から（反射電力）／（入射電力）の値が小さくなるよう
空洞共振器長可変プランジャーで粗調し、続いて他に設
けられた整合回路で微調をとるようにしたフィードバッ
ク制御機構を有してなるマイクロ波プラズマ処理装置。
（８）請求項（１）に記載のマイクロ波プラズマ処理装
置にあって、パワー・モニター手段をマイクロ波立体回
路中に設置し、該パワー・モニター手段からする信号か
ら（反射電力）／（入射電力）の値が小さくなるよう空
洞共振器長可変プランジャーで粗調し、続いて他に設け
られた整合回路で微調をとるようにしたフィードバック
制御方式。