JPH04132215A - マイクロ波プラズマ処理装置およびその操作方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野］ この発明は、マイクロ波プラズマを用いた被処理物の表
面にＩｌｌを形成し、あるいは表面をエツチングするマ
イクロ波プラズマ処理装置の構成と、このマイクロ波プ
ラズマ処理装置を用いて被処理物の表面処理を行う際の
装置の操作方法とに関する。

〔従来の技術〕

従来のマイクロ波プラズマ処理装置の一例としてＥＣＲ
（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ装置を第３
図に示す０図示されないマイクロ波源で発振されたマイ
クロ波が導波管ｌを通り、マイクロ波透過窓２を通過し
て、図示されない真空排気装置で真空に保たれたプラズ
マ生成室３に導入される。プラズマ生成室３内にはガス
導入管４を通してプラズマ生成ガスが供給され、前記マ
イクロ波と、プラズマ生成室３を囲んで配置された励磁
コイル５がプラズマ生成室３内に形成する磁界との作用
でマイクロ波プラズマが生しる。

このプラズマは、前記励磁コイル５の形成する発散磁界
に沿って下向きに移動し、反応室７内２こあって反［Ｆ
］室外部のＲＦ電源からＲＦ電力が印加できるステージ
８上に＊２されたウエーノ＼９に照射される。反応室７
にはガス導入ＩＦＩＯを通して反応ガスが供給される。

マイクロ波を効率よくプラズマに吸収させるため、プラ
ズマ生成室３は円筒空洞共振器構造をとり、反応室７と
の間にある大きさの開口を待った金属製の窓６が設置さ
れている。

このような装置において、例えばマイクロ波の周波数と
して通常工業的に用いられてる２、４５ＧＨ。

を用い、プラズマ生成室内に磁束密度８７５ガウスの領
域を形成して、プラズマ生成ガスに窒素、反応ガスにフ
ランを用いると、マイクロ波電界と磁界とによる電子サ
イクロトロン共鳴効果によりプラズマ生成ガスが効率よ
＜ｔｊｌ！され、ウェーハ上にン′Ｊコン窒化膜が効率
よく形成される。なお、前記ＲＦ″：ｉ力をステージに
印加して膜形成を行うと、膜の緻密化、段差被膜の改善
１段差部の膜の平坦化等、目的に応した成膜が可能であ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記マイクロ波プラズマ処理装置において成膜速度を増
すためには、ステージ８をプラズマ生成室３方向に近付
け、ウェーハ表面に密度の高いプラズマ照射を受けさせ
ることが有効である。ところがプラズマ生成室３と反応
室７とは窓６によって分離されているため近付けうる距
離に制限があり、従って成膜速度はある程度以上は得ら
れなかった。

この発明の目的は、装置の複雑化や大形化等、コスト上
昇を招くような構成変更を伴うことなく、上記磁界を超
えて成膜速度を高めうるマイクロ波プラズマ処理装置の
構成と、この装置により被処理物を処理する際の装置の
操作方法とを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明においては、軸対
称に形成されプラズマ生成ガスが導入されるプラズマ生
成室にマイクロ波透過窓を通してマイクロ波を導入する
とともに該プラズマ生成室内に磁界を形成してマイクロ
波プラズマを生成し、このプラズマをステージに載置さ
れた被処理物の表面に照射して表面を処理するマイクロ
波プラズマ処理装置を、前記プラズマ生成室の反マイク
ロ波透過窓側がステージおよび被処理物が空隙を保って
軸方向に通過可能に形成されるとともに、譲反マイクロ
波透過窓側に、ステージをプラズマ生成室の軸方向に進
退させる直線駆動機構を備えるとともにロードロック室
と仕切り弁を介して連通して内部でステージへの被処理
物の受渡しが行われる受渡し室を備えた構成とし、被処
理物の処理を、被処理物の被処理面をプラズマ生成室内
に位置させて行う装置とするものとする。そして、この
構成原理に基づく具体的な装置をプラズマ生成室がマイ
クロ波透過窓のプラズマ生成室内部側の面から反マイク
ロ波透過窓側端面に到る軸方向の長さをマイクロ波波長
の１／２以上に形成され、被処理物の処理時に被処理面
とマイクロ波透過窓との間隔をマイクロ波波長の１ノ２
以下に設定する装置とすれば好適である。

また、この具体的な装置を用いて被処理物を処理する際
の該装置の操作方法をプラズマ生成室内を真空引きして
ロードロック室から受渡し室内で待機中のステージへ被
処理物を受け渡した後、直線駆動機構を操作してステー
ジをマイクロ波透過窓方向へ微小ピッチで前進させて被
処理物の被処理面とマイクロ波透過窓との間隔がマイク
ロ波波長の１／２以下となる適宜の位置に停止させ、プ
ラズマ生成室内に処理に用いるすべてのガスを導入しつ
つ被処理物を処理する方法とするものとする。

〔作用〕

マイクロ波プラズマ処理装置をこのように構成し、被処
理物の処理を、プラズマ生成室内に被処理物面を位置さ
せて行うことにより、被処理面は、１プラズマ生成室内
の密度の高いプラズマ照射を受け、従って、成膜時には
反応ガスをプラズマ生成室内に導入することにより、プ
ラズマ生成ガスと反応ガスとを成分とする薄膜が、従来
装置で可能な限界を超えて高速度で形成される。この場
合、プラズマ生成室の反マイクロ波透過窓側は従来のよ
うな芯を必ずしも必要としない、これは、従来のプラズ
マ生成室がマイクロ波を効率よくプラズマに吸収させる
ために窓を備えた空洞共振器として形成され、窓を一方
の反射面としてプラズマ生成室内にマイクロ波の定在波
を形成した状態でプラズマ生成ガスがプラズマ化される
のであるが、本発明者の実験によれば、窓を除去しても
、プラズマ生成室から発散磁界に沿って反応室内へ移動
するプラズマの密度に変化はなく、プラズマ生成室内で
のプラズマ生成量が一定に保たれるからである。このよ
うに、窓の有無にかかわらず、プラズマ生成量が一定に
保たれる理由は、実施例の項で詳細を説明するように、
プラズマ生成室内に一旦プラズマが形成されると、プラ
ズマ生成室内のマイクロ波の波長が短くなり、窓が定在
波を成立させる位置的条件を満たさなくなるとともに、
マイクロ波がプラズマに吸収されて先へ進まなくなるた
めである。従って、プラズマの生成はマイクロ波透過窓
に近いほど活発に行われる。この発明はこのようなマイ
クロ波の波長の変化と進行方向の減衰とに着目したもの
である。

従ってマイクロ波プラズマ装置の具体構成として、プラ
ズマ生成室をマイクロ波透過ぎのプラズマ生成室内部側
の面から反マイクロ波透過官側端面に到る軸方向の長さ
がマイクロ波波長の１／２以上となるように形成すると
ともに、被処理物の被処理面とマイクロ波透過窓との間
隔をプラズマ形成前の７１゛クロ渡波長、すなわち真空
中のマイクロ波波長に等しい波長の１７２以下の適宜の
間隔とすることにより、この間隔内にマイクロ波の電界
強度が最大の、従ってプラズマ生成量が最大の位置が含
まれ、成膜速度を可能最大とすることができる。しかも
、プラズマ生成室は定在波の半波数を３個とした通常の
大きさのものと比較して高さが大幅に低くなり、また、
従来の反応室は被処理物受渡しのための受渡し室として
より小形化されるため、装置本体が小さくなり、直線駆
動機構がステージの軸方向移動量の増加分やや大形化す
る欠点を十分補って装置のコスト上昇を抑えることがで
きる。

また、この小形化された装置本体を有するマイクロ波プ
ラズマ処理装置を用いて被処理物を処理する際に、ステ
ージをマイクロ波透過窓方向へ微小ピッチ、例えば１ｍ
ｓピッチで前進させることにより、ガス種、ガス流量、
ガス圧力等の成膜条件が変わっても、成膜速度が最大と
なる被処理面の位！、あるいは成膜速度が十分に大きく
かつ膜厚分布がより一様になる位置等、目的に最も適し
た被処理面の位置を精度よく求めることができる。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例によるマイクロ波プラズマ処
理装置の構成を示す０図において、第３図と同一の部材
には同一符号が付されている。この実施例では第３図に
おける窓６が除去されて第３図と同一高さのプラズマ生
成室３が下方へ開放され、この開放端のフランジ３ａに
真空中でウェーハの受渡しを行うための受渡し室１１が
取り付けられている。この受渡し室１１は図示されない
ロードロック室と仕切り弁を介して結合される。この受
渡し室１１には、プラズマ生成室３の軸線を外れた位置
に！＃篤コロ−１３形成され湯、軸線上には直線駆動機
構と結合される連結輪１５が遣る孔１４が形成され÷て
いる。連結軸１５は、金属ベローズ１６の下方端に周縁
が気密に接合されたフランジ１７を介して直線駆動機構
２２のねじ棒１８と結合される。ねじ棒１８は、ｌＷｊ
動方向にのみトルクを伝達するラチェットレバー２１を
、１動作の回動角度を決めた上で繰返し回動操作し、自
室２０を介して固定ナツト１９を１方向に回動させるこ
とにより、軸まわり非回転に微小ピッチで前進または後
退する。なお、ラチェットレバー２１０代りに、軸の回
転量が入力パルスの数に比例して得られるパルスモータ
を使用することにより、操作を容馬にすることも可能で
ある。

また、プラズマ生成室３には、プラズマ生成ガス導入管
４のほかに反応ガス導入管ｌＯが取り付けられ、ウェー
ハ９の表面にＩＩ！を形成する際には、これら２つの導
入管からそれぞれプラズマ生成ガスと反応ガスとを同時
に導入する。

ここでプラズマ生成室内でのマイクロ波の挙動とプラズ
マ生成について説明する。プラズマ生成室内の偶作電子
はマイクロ波の電界Ｅと励磁コイルの作る外部磁界Ｂと
の作用でサイクロトロン運動を行い、ガス分子と衝突し
てこれをイオン化する。マイクロ波の周波数ｆ　−２，
４５Ｇ　Ｈ、、［界強度Ｂ−８７５ガウスのとき電子の
サイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数とが一致す
るので電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）をおこし、電
子の行程が増す、プラズマ生成室のガス圧力を１５Ｔｏ
ｒｒ近辺にすることでイオン化効率が向上し、高密度の
プラズマが得られる。

プラズマ室の形状はマイクロ波を効率よくプラズマに吸
収させるため円筒空温共振器構造をしている０例えば矩
形導波管内をマイクロ波がＴＥ。

モードで伝搬するとき、プラズマ室の内径を２９０■、
高さ１１９０ｍ−にするとプラズマ室内でＴＥ、。

モードの定在波が生し、マイクロ波の進行方向に腹が３
個存在する（第４図（ａｌ）、マイクロ波の電界強度Ｅ
はマイクロ波の進行方向に垂直であり、腹の位置で電界
強度が最高なのでこの位置でイオン化効率が最大となり
、高密度のプラズマが得られる。成膜速度はプラズマ密
度が大きいほど速いので、この位置で成膜すると従来よ
り大きい成膜速度が得られる。マイクロ波透過窓と被処
理面との間隔をλ。／、（λ。は真空中のマイクロ波の
波長）にすれば腹の位置は必ず含まれるし、仮にその位
置をはずれてもプラズマ密度は０でなく、従来の反応室
のプラズマ密度よりは大きいので成膜速度を増すことが
可能となる。

プラズマの誘電率εは真空中の誘電率ε、と異なり次の
式で与えられる。

ω　（ω−ω６．） ω。、：電子サイクロトロン周波数−２，８ＸＩＯ”　
ＸＢ（Ｈｚ）ω２．：電子プラズマ周波敗−８，９８に
１０’１’Ｎｅ（Ｈｚ）ω　：マイクロ波周波数−２，
４５Ｘ１０”（Ｈｚ）例えば磁束密度Ｂ　−１０００ガ
ウス、電子密度Ｎｅ＝　１　ｘ　１０”ａｍ−”のとき
ｔ　−１＋０．９４＝１．９４となる。

従って上記Ｂ、Ｎｅにおけるプラズマ中のマイクロ波の
波長λは、真空における円筒空洞共振器内のマイクロ波
の波長をλ。とすれば λ。　　　λ。

λ＝□＝ ｉｒ　　’：璽ど°゛２ｘＪｓ（１′訃ゝとなる。

プラズマ密度が増すにつれ波長λは短くなるので被処理
面を真空透過窓２に０〜λ／２の範囲内に接近させるこ
とで大きい成膜速度が得られる。

第２図に上記実施例の変形例を示す、この例ではプラズ
マ生成室３はマイクロ波のＴＥ、、、モードに相当した
高さ、すなわちマイクロ波の半波長にほぼ等しい高さを
有し、上記実施例の場合の約１／３と、かなり小形化さ
れている。ここでもウェーハ９の被処理面とマイクロ波
透過窓２との間隔はλ、７２以下に保たれ、上記実施例
と比べ、装置本体がさらに小形化され、また、これに伴
い、直線駆動機構も小形化されている。

なお、第１ｒｊ！Ｊおよび第２図に示すマイクロ波プラ
ズマ処理装宣は、プラズマ生成ガスを工、７チングガス
とするだけでエツチング装置となる０本発明は、このエ
ツチング装置も包含するものである。

〔発明の効果］ 以上に述べたように、本発明においては、軸対称に形成
されプラズマ生成ガスが導入されるプラズマ生成室にマ
イクロ波透過窓を通じてマイクロ波を導入するとともに
該プラズマ生成室内に磁界を形成してマイクロ波プラズ
マを生成し、このプラズマをステージに載置された被処
理物の表面に照射して表面を処理するマイクロ波プラズ
マ処理装置を、前記プラズマ生成室の反マイクロ波透過
窓側がステージおよび被処理物が空隙を保って軸方向に
遭遇可能に形成されるとともに、該反マイクロ波透過窓
側に、ステージをプラズマ生成室の軸方向に進退させる
直線駆動機構を備えるとともにロードロック室と仕切り
弁を介して連通して内部でステージへの被処理物の受渡
しが行われる受渡し室を備えた構成とし、被処理物の処
理時に被処理面をプラズマ室内に位置させる装置とした
ので、被処理物の被処理面はプラズマ生成室内の密度の
高いプラズマ照射を受け、反応室を備えた従来の＃ｌｆ
では到達不可能な成膜速度を得ることができる。

そして、プラズマ中のマイクロ波は波長が真空中と比べ
て短くなるとともに、プラズマに唆収されて先へ進まな
くなり、プラズマの生成はマイクロ波透過窓に近いほど
活発に行われることから、上記装置を、プラズマ生成室
がマイクロ波透過窓のプラズマ生成室内部側の面から反
マイクロ波透過窓側端面に到る軸方向の長さをマイクロ
波波長の１／２以上に形成され、被処理物の処理時に被
処理面とマイクロ波透過窓との間隔をマイクロ波波長の
１／２以下に設定する装置とすることにより、被処理面
とマイクロ波透過窓との間隔内に電界強度が最大の、従
ってプラズマ生成量が最大の位置が含まれ、成膜速度を
可能最大とすることができる。しかも、プラズマ生成室
は定在波の半波数を３個とした通常の大きさのものと比
較して高さが大幅に低くなり、また、従来の反応室は被
処理物受渡しのための受渡し室としてより小形化される
ため、装置本体が小さくなり、直線駆動機構がステージ
の軸方向移動量の増加分やや大形化する欠点を十分補っ
て装置のコスト上昇を抑えることができる。

また、この小形化された装置本体今仔するマイクロ波プ
ラズマ処理装置を用いて被処理物を処理する際の装置の
操作方法を、プラズマ生成室内を真空引きしてロードロ
ック室から受渡し室内で待機中のステージへ被処理物を
受け渡した後、直線駆動ＩＩを操作してステージをマイ
クロ波透過窓方向へ微小ピンチで前進させて被処理物の
被処理面とマイクロ波透過窓との間隔がマイクロ波波長
の１７２以下となる適宜の位置に停止させ、プラズマ生
成室内に処理に用いるすべてのガスを導入しつつ被処理
物を処理する操作方法としたので、被処理物の被処理面
の位置設定が微小ピンチで行われ、ガス種、ガス流量、
ガス圧力等の成膜条件が変っても成膜速度が最大となる
位置、あるいは成膜速度が十分大きくかつ膜厚分布がよ
り一欅となる位置など、目的に最も通した被処理面の位
１を精度よく求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるマイクロ波プラズマ処
理装置の構成を示す縦断面図、第２図は第１図の實施例
の変形例を示す装置の縦断面図、第３図は従来のマイク
ロ波プラズマ処理装置の構成例を示す縦断面図、第４図
は円庸空凋共振器として形成されたプラズマ生成室内の
マイクロ波の状態を説明する図であって、同図（ａ）は
プラズマ生成前の波長を示す図、同図ら）はプラズマ生
成後の波長と軸方向の減衰とを示す図である。 ｌ：導波管、２：マイクロ波透過窓、３：プラズマ生成
室、４：プラズマ生成ガス導入管、５：励磁コイル、８
：ステージ、９：ウェーハ（被処理物）、１０：反応ガ
ス導入管、１１：受渡し室、２２：直線駆動機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）軸対称に形成されプラズマ生成ガスが導入されるプ
   ラズマ生成室にマイクロ波透過窓を通してマイクロ波を
   導入するとともに該プラズマ生成室内に磁界を形成して
   マイクロ波プラズマを生成し、このプラズマをステージ
   に載置された被処理物の表面に照射して表面を処理する
   マイクロ波プラズマ処理装置において、前記プラズマ生
   成室の反マイクロ波透過窓側がステージおよび被処理物
   が空隙を保って軸方向に通過可能に形成されるとともに
   、該反マイクロ波透過窓側に、ステージをプラズマ生成
   室の軸方向に進退させる直線駆動機構を備えるとともに
   ロードロック室と仕切り弁を介して連通して内部でステ
   ージへの被処理物の受渡しが行われる受渡し室を備え、
   被処理物の処理時に被処理面をプラズマ生成室内に位置
   させることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 ２）請求項第１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置
   において、プラズマ生成室がマイクロ波透過窓のプラズ
   マ生成室内部側の面から反マイクロ波透過窓側端面に到
   る軸方向の長さをマイクロ波波長の１／２以上に形成さ
   れ、被処理物の処理時に被処理面とマイクロ波透過窓と
   の間隔をマイクロ波波長の１／２以下に設定することを
   特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 ３）請求項第２項に記載の装置を用いて被処理物を処理
   する際の該装置の操作方法であって、プラズマ生成室内
   を真空引きしてロードロック室から受渡し室内で待機中
   のステージへ被処理物を受け渡した後、直線駆動機構を
   操作してステージをマイクロ波透過窓方向へ微小ピッチ
   で前進させて被処理物の被処理面とマイクロ波透過窓と
   の間隔がマイクロ波波長の１／２以下となる適宜の位置
   に停止させ、プラズマ生成室内に処理に用いるすべての
   ガスを導入しつつ被処理物を処理することを特徴とする
   マイクロ波プラズマ処理装置の操作方法。