JPH04144128A - マイクロ波プラズマ処理装置 - 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〕 本発明は半導体デバイスや、液晶表示素子、ラインセン
サ、薄膜磁気ヘッド等の薄膜を応用した電子部品等の製
造に使用するプラズマ処理装置に係り、特に薄膜形成お
よびエツチング等のプラズマ処理に好適なプラズマ処理
装置に関する。

〔従来の技術〕

この種のマイクロ波プラズマ処理装置の従来装置として
は、例えば特開昭６２−１２２２１７号公報に示された
ものが知られている。これによる場合、真空室には放電
管が設けられ、これにコイルを取り付けて磁場を印加し
、さらに、導波管を介して電子サイクロトロン周波数と
同一の周波数のマイクロ波を導入し、放電を起こすこと
によって真空室内に導入された反応ガスを分解し、これ
により真空室内に設置された試料である基板上に化学蒸
着を行ったり、基板上の薄膜をエツチングしたりするよ
うになっている。

しかし、大面積基板の処理を行うには大型の放電管を要
し、かつ、マイクロ波も大パワーを投入する必要がある
が、大型の放電管には大気圧の大きな力が加わり、かつ
、内部のプラズマや通過する大パワーのマイクロ波によ
る加熱を受け、破損する可能性が大きい、また、このよ
うな放電管方式ではプラズマ密度の分布が放電管の形を
反映して中心部が高く周辺部が低くなる傾向が強い。

また、マイクａ波導波管の端部に設けられたマイクロ波
放射窓を真空容器の隔壁の一部として構成し、この窓の
直下に電子サイクロトロン共鳴条件を満足するように設
定されたプラズマ処理装置も提案されている。この装置
は窓の大きさがプラズマ処理可能な面積を決定すること
になるので、大面積の基板を処理する装置の場合には、
大口径の窓が必要となる。したがって、窓が大きくなれ
ば厚さを厚くして強度を持たせる必要がある。しかし、
一般に窓の厚みはマイクロ波の吸収を増大させ、電力損
失を引き起こすことから、むやみに厚くすることはでき
ない。結局は、窓の厚さによる電力損失と窓材の強度と
の関係から実用的な窓の大きさと厚さとが定まり、これ
までこの種の装置において大面積の基板をプラズマ処理
できなかった理由はここにある。

一方、異った方法としては特開昭６２ −２５４４１９号公報に記載のりジターノコイルを用い
る方法がある。しかし、この方法では大面積に高密度の
プラズマを発生するために必要な大パワーのマイクロ波
の導入を行うと、導入部でスパークをおこし易く実用化
が困難であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、従来技術は、大面積基板の均一処理につい
て考慮されておらず１例えば大型基板を用いる液晶表示
パネル等の処理は困難であり、また、大口径ウェハの処
理も行えない等の問題があった。

したがって、本発明の目的は、上記従来の問題点を解消
することにあり、大面積にわたり均一なマイクロ波プラ
ズマ処理を安定して行えるマイクロ波プラズマ処理装置
を提供することにある。これにより、マイクロ波プラズ
マの低圧力、高密度プラズマを利用したプラズマＣＶＤ
にょる成膜やプラズマエツチングを大面積基板の処理に
も応用できるようにし、かつ、装置の連続処理を可能と
し、大量生産に対応可能とする装置を実現するもので、
例えば大型液晶表示素子、ファクシミリのラインセンサ
、感熱ヘッド等における薄膜製造及び薄膜のエツチング
処理の性能５都留りの向上。

コストの低減に寄与するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するルめに、本発明者等は種々実験の結
果、以下に記すような知見を易だ。すなわち、マイクロ
波導波路端部の放射器の構造を例えば電磁ホーン形とし
、マイクロ波を基板の処理面積まで拡大し、大面積のプ
ラズマを発生する。

この際、プラズマを均一化するため、マイクロ波をプラ
ズマ領域に導入する部分のマイクロ波導入窓は、大面積
の例えば石英製の平板として真空容器の隔壁の一部を構
成すると共に基板ホルダと平行させ、また、プラズマ中
での反応ガスの分解を均一なものとするため上記マイク
ロ波窓と接近して多孔板を設置し、多孔板とマイクロ波
窓の間に反応ガスを通じ、多孔板の穴より基板へ向って
反応ガスを噴出するように構成した。そして、マイクロ
波放電を起すために上記マイクロ波導入窓の直下の多孔
板との間に電子サイクロトロン共鳴条件を満足する点が
存在するように構成したことは勿論である。また、プラ
ズマ発生時に、この大面積のマイクロ波窓に導波路側か
ら大気圧がかかると、真空容器内部が真空のためマイク
ロ波窓はその圧力差で破損し易くなるので、このマイク
ロ波窓の電磁ホーン側（導波路側）に減圧手段を設は圧
力差を低減する構成とした。ただし、その減圧条件とし
ては、電磁ホーン側、つまり導波路側に放電が起らない
ように設定することが重要であり、そうすることによっ
てたとえ電磁ホーン側に電子サイクロトロン共鳴条件を
満足する点ができたとしても放電を起すようなことはな
く、不必要な放電によりマイクロ波電力を失うこともな
い。この放電を起さない電磁ホーン側（導波路側）の圧
力としては、５〜５０　ｋ　Ｐ　ａもしくは１０−４Ｐ
ａ以下とすればよいことが判った。電磁ホーン側（導波
路側）を減圧状態にしても、放電が起らない条件に設定
されているためさらに、電磁ホーン内にそのための磁場
を印加する必要がなくなりコイルも小型化することがで
きる。また、電磁ホーン側（導波路側）の圧力として５
〜５ＱｋＰａを選んだ場合には、マイクロ波やプラズマ
で加熱されるマイクロ波窓に対して気体の熱伝導による
冷却効果が生じ、装置を連続使用しても窓が破損したり
、反応ガスが熱分解をおこすこともなく、実用的で好ま
しいという知見を得た。なお、この装置説明では、マイ
クロ波導波路端部の放射器の構造を電磁ホーン形とした
ものを例に述べたが、これに限られるものでなく要する
にマイクロ波導入窓が真空容器の隔壁の一部を成し、こ
の窓の直下に電子サイクロトロン共鳴条件を満足する点
が存在するように構成されたマイクロ波プラズマ処理装
置−般に適用できるものである。

本発明は上記知見に基づいて成されたものであり、本発
明の具体的な目的達成手段について以下に説明する。

上記本発明の目的は、 （１）、ガス供給手段と、真空排気手段を備えた真空容
器と、前記真空容器内にマイクロ波を導く導波管と、前
記導波管の一端に接続された放射器と、前記放射器の開
口部を封じて、これが前記真空容器の隔壁の一部を構成
するマイクロ波窓と、前記真空容器内のマイクロ波窓直
下で前記マイクロ波の周波数で電子サイクロトロン共鳴
を起こすような磁界の発生手段とを具備して成るマイク
ロ波プラズマ処理装置において、少なくとも前記マイク
ロ波窓の設けられた放射器内を放電の生じない条件下に
減圧する手段を備え、前記真空容器内にマイクロ波を導
入する前記マイクロ波窓に加わる圧力差を低減するよう
に構成したマイクロ波プラズマ処理装置により、達成さ
れる。そして、より好ましくは、 （２）、上記導波管に接続された放射器内の圧力をｌＸ
ｌ０−４Ｐａ以下もしくは５〜５０　ｋ　Ｐ　ａに減圧
する手段として成る上記（１）記載のマイクロ波プラズ
マ処理装置により、また、 （３）、上記導波管に接続された放射器内の圧力を５〜
５０ｋＰａとし、かつ、少なくとも前記導波管に接続さ
れた放射器に冷却手段を付加して、前記放射器内の気体
の対流により上記マイクロ波窓を冷却するように構成し
た上記（２）記載のマイクロ波プラズマ処理装置により
、達成される。

上記冷却手段として、望ましくは放射器の外周に冷却用
のパイプを配設して、この中に冷媒として例えば水や空
気を循環させ、水冷もしくは空冷して放射器内の気体と
熱交換させる構成とすることである。また、更に好まし
くは、 （４）、上記放射器が接続された導波管の減圧部分と、
真空容器とを連結する配管を設けると共に、前記配管の
途中に両者の圧力差が上記マイクロ波窓の耐圧以上にな
ると開放になるような安全弁を接続し、マイクロ波窓の
破損を防止する用に構成した上記（１）乃至（３）何れ
か記載のマイクロ波プラズマ処理装置により、また、 （５）、上記導波管の途中でマイクロ波を通す材料によ
り密閉して、この部分からマイクロ波窓までの間を排気
し減圧する手段を設けて成る上記（１）乃至（４）何れ
か記載のマイクロ波プラズマ処理装置により、また、 （６）、上記導波管の途中をマイクロ波を通す材料で密
閉した部分に冷却手段を付加し、前記密閉した部分を冷
却するように構成して成る上記（５）記載のマイクロ波
プラズマ処理装置により、達成される。そして、上記冷
却手段としては、導波管の途中をマイクロ波を通す例え
ば石英板等の材料で密閉した部分の周辺を水冷すると共
に、大気圧に保持された導波管側から前記密閉した材料
に直接圧縮空気を吹きつけ空冷するようにすることが望
ましい。

また、上記導波管の一端に接続された放射器の構造とし
ては、真空容器側に広がったものが好ましく、電磁ホー
ン形放射器とすることが望ましい。

更にまた、上記導波管の一端に接続された放射器の開口
部を封じて前記真空容器の隔壁の一部を構成するマイク
ロ波窓としては、マイクロ波を良く透し、耐熱性があり
、機械的強度に優れ、しがも化学的に安定な材料であれ
ばよく、石英板等は実用的で好ましい。

〔作用〕

マイクロ波放射器を構成する電磁ホーンは、マイクロ波
をホーンの開口径まで拡大する。マイクロ波強度は均一
にはならないが、マイクロ波の投入電力が充分大きけれ
ばプラズマ密度は飽和して、プラズマ密度は均一となる
。基板面と対向して平行に配置した多孔板とマイクロ波
窓の間に反応ガスを通し、多孔板の穴から基板に向って
吹き出させることにより、反応ガスのプラズマにより分
解する程度は一定となり、基板表面に対し均一に作用す
る。マイクロ波窓は大電力のマイクロ波とプラズマに露
され、加熱や表面損傷を受は易い。ここで従来のように
電磁ホーン側（導波路側）を大気圧にすると、マイクロ
波窓には多大な力が加わり窓は破損され易い。そこで、
本発明では電磁ホーン側（導波路側）の圧力を減圧手段
により放電の生じない状態に下げ、真空容器との圧力差
を低減しマイクロ波窓に加わる力を軽減し、マイクロ波
窓の破損を回避している。この場合、電磁ホーン側（導
波路側）の圧力が１０〜３Ｐａ〜ｌ　ｋＰａでは電磁ホ
ーン内でマイクロ波放電が起り、マイクロ波電力の損失
が大きいので、この領域は避けなければならない。１０
−４Ｐａ以下の圧力の低い方を選ぶことも可能であり、
放電を起さないようにするためにはこの方が確実である
が、高真空の排気系が必要となる上に、高真空に排気す
るためにコンダクタンスを大きくとる必要があるが、そ
れはマイクロ波の導波系に多くの穴をあけることになり
、それによるマイクロ波の伝送効率の低下を招くことに
なる。一方、５〜５０ｋＰａの圧ガの高い方を選んだ場
合には、排気系として油回転ポンプ程度のものでよく、
排気用の穴も小さくて済む。加えて、１ｋＰａ以上の圧
力では気体の対流による熱伝導は大気圧の場合とほとん
ど変わらず、したがって、この気体の対流による熱伝導
はマイクロ波やプラズマで加熱されたマイクロ波窓を冷
却するように作用するので、極めて実用的で好ましい。

プラズマＣＶＤを行う場合等では１反応ガスとしてモノ
シランやジシランのように熱分解温度が比較的低いガス
を用いることが多く、その場合はマイクロ波窓が過熱し
ているとそこで熱分解がおこり、反応ガスの損失や、基
板に形成した膜の特性劣化をおこしたりする。しかし、
本発明のようにマイクロ波窓が冷却されていればこのよ
うなマイクロ波窓の過熱による問題は生じない。

〔実施例〕

実施例１゜ 以下、図面にしたがって本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の概略
要部縦断面図を示したものである。

マイクロ波発生源１からマイクロ波導波系２を通し、放
射器を構成する電磁ホーン４に２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波を導く構成とした。

マイクロ波導波系２の導波管２ａの途中に石英板３を挾
んで真空シールを施し、これより電磁ホーン内を排気ポ
ンプ１６により１０ｋＰａの減圧となるようにバルブ１
５を用いて調節しながら排気した。

電磁ホーン４の開口部にはマイクロ波窓として厚さ５ｍ
ｍの石英製仕切板８を置き、これにより真空容器を構成
する反応室６と電磁ホーン４の間を密封している。磁場
は電磁コイル５に電流を通じて発生させ、電子サイクロ
トロン共鳴点は、仕切板８の直下の石英製の多孔板９と
基板ホルダ１１に載置された基板１０との間の空間領域
に存在するように設定した。

反応ガスはガス導入ロアａから反応ガスバッファ７に送
り込まれ、仕切板８と多孔板９との間の０．３ｍｍのす
き間を通って多孔板９の穴より反応室６内に噴出される
。

導波管２ａの途中に挾んだ石英板３は高密度のマイクロ
波が通過するため加熱されるので、そのそフランジ部に
れ冷却手段として冷却水配管工９を設は冷却すると共に
、石英板３に向って圧縮空気を、大気圧に保持された導
波管側に設けられたノズル１８より吹き出して空冷も行
っている。

また、仕切板８、多孔板９はマイクロ波と、反応室６内
のプラズマとによって加熱されるので。

これの冷却手段として次のような構成を採用した。

すなわち、電磁ホーン４の外周には熱交換器として冷却
水を流す配管２０を設け、これにより電磁ホーン４内の
圧力１０ｋＰａの空気の対流による熱伝導により間接的
に冷却している。

電磁ホーン４の開口径は４００　ｍ　ｍで、仕切板（マ
イクロ波窓）８、多孔板９ともに直径４２０　ｍ　ｍで
あるが、その中心温度はこの冷却効果により、投入マイ
クロ波電力４ｋＷで窒素プラズマを連続的に発生させた
場合で、約２００℃でつり合い一定となる。

石英板３が破損した場合や反応室６がリークした場合等
、円形電磁ホーン４側と反応室６側とに圧力差ができ、
仕切板８が破損するのを防ぐために連通管２１を介して
安全弁１７を設けている。

この安全弁１７は２０ｋＰａの圧力差で開放となり、そ
れ以上の圧力が仕切板８に加わらないように構成されて
いる。

なお、図中の１２はコンダクタンス調整バルブ。

１３はターボ分子ポンプ、１４は排気ポンプ。

２２は導波管に設けられたチューナを示す。

本実施例の仕切板８は、直径４２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの
石英製であるが、導波路に接続された電磁ホーン４内を
減圧状態としているため、仕切板８に加わる圧力が低減
され、この程度の厚みでも十分に安定してプラズマ処理
が可能である。しかし、従来装置のように電磁ホーン４
内が大気圧に保持されたものの場合には、安心してプラ
ズマ処理のできるマイクロ波窓８の厚みは１本実施例の
約６倍の３０ｍｍは最低必要とされ、更に３倍の安全率
をみると４５ｍｍは必要となる。このように窓の厚みが
増大すると、マイクロ波の吸収による電力損失が著しく
増大し、もはや実用的な装置は不可能となる。

また、本発明において重要なのは、導波路に接続された
放射器（電磁ホーン）４内を単に減圧状態にするのでは
なく、減圧してもマイクロ波放電が起らない減圧下とす
ることである。

以上、装置構成につき説明したが、次にこの装置を用い
た実際のプラズマ処理例につき代表的な３例を紹介する
。

実施例２゜ 先ず第１の例は、この装置で窒化シリコン膜を形成した
場合について述べる。

基板１０としては、直径３００ｍｍのガラス円板を用い
、これを基板ホルダ１１上に載置した。

反応ガスはモノシランを毎分４０　ｃ　ｍ３、窒素ガス
を毎分４００　ｃ　ｍ３はど反応ガスバッファ７を通じ
て多孔板９の穴より流し、ターボ分子ポンプ１３により
排気した。反応室６の圧力はコンダクタンス調整バルブ
１２により０．４Ｐａに調整した。４ｋＷのマイクロ波
を５分間投入し、プラズマを発生させたところ基板中心
で０．６０μｍ、端部で０．５５μｍの窒化シリコン膜
が形成された。

実施例３゜ 第２の例は、この装置で窒化シリコン膜をエツチングし
た場合について述べる。

上記実施例２で窒化シリコン膜を形成した直径３００ｍ
ｍのガラスの基板１０上に、マスクとして厚さ０．５μ
ｍのアルミニウム膜を３μｍのラインアンドスペースに
パターンニングしたものを基板として用いた。

反応ガスは、酸素を３％含む四フッ化炭素を毎分９０　
ｃ　ｍ’はど多孔板９の穴より流し、ターボ分子ポンプ
１３により排気した。ＥＣＲ点（電子サイクロトロン共
鳴点）は基板１０から２０ｍｒｎ上方として、２．５ｋ
Ｗのマイクロ波を投入した。

その結果、はぼ均一なプラズマが発生し、アルミニウム
のパターンをレジストとして窒化シリコンのエツチング
が起った。エツチングレートは、毎分０．０８〜０．０
８５μｍであり、全面にわたりほぼ均一であった。

実施例４゜ 第３の例は、この装置を酸素アッシャ−として用いた例
を示す。

直径３００ｍｍのガラス円板からなる基板１０上に、厚
さ１．５μｍのポリイミド塗布し、その上に０．２μｍ
の酸化シリコン膜を形成し、マスクパターンとして直径
２μｍの穴パターンをこの酸化シリコン膜に形成したも
のを基板１０として用いた。

酸素ガスを導入ロアａより、ガスバッハ７を介して毎分
１００ｃｍ’流し、反応室６内の圧力ＩＰａ、マイクロ
波電力２ｋＷを投入してプラズマを発生させた。

その結果、ポリイミドのエツチングレートは毎分約１μ
ｍで全面にわたり、はぼ一定であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、大面積にわたり、均一にマイクロ波プ
ラズマによる処理ができ、大面積の素子の製作において
高密度なマイクロ波プラズマによる高速処理が可能とな
る。また、マイクロ波窓の破損や過熱の問題もなく、連
続的に大量の基板を処理することができる。コイルもこ
の種の装置としては処理面積の割合に小型化でき電力消
費も軽減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例となるマイクロ波プラズマ
処理装置の概略要部縦断面図である。 〈符号の説明〉 １・・・マイクロ波発生源、２・・マイクロ波導波系。 ３・・・石英板、　　　　　４・・・電磁ホーン（放射
！り、５・・電磁コイル、　　　６・反応室（真空容器
室）、７・・反応ガスバッファ。 ８・・・仕切板（マイクロ波窓）、　９・・・多孔板、
１０・・・基板、　　　　　　　１１・・・基板ホルダ
、１２・・・コンダクタンス調整バルブ、１３・・・タ
ーボ分子ポンプ。 １４．１６・・・排気ポンプ、　１５・・・バルブ、１
７・・・安全弁、　　　　１９．２ｏ・・・冷却水配管
、２１・・・連通管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガス供給手段と、真空排気手段を備えた真空容器と
   、前記真空容器内にマイクロ波を導く導波管と、前記導
   波管の一端に接続された放射器と、前記放射器の開口部
   を封じて、これが前記真空容器の隔壁の一部を構成する
   マイクロ波窓と、前記真空容器内のマイクロ波窓直下で
   前記マイクロ波の周波数で電子サイクロトロン共鳴を起
   こすような磁界の発生手段とを具備して成るマイクロ波
   プラズマ処理装置において、少なくとも前記マイクロ波
   窓の設けられた放射器内を放電の生じない条件下に減圧
   する手段を備え、前記真空容器内にマイクロ波を導入す
   る前記マイクロ波窓に加わる圧力差を低減するように構
   成したマイクロ波プラズマ処理装置。 ２、上記導波管に接続された放射器内の圧力を１×１０
   ＾−＾４Ｐａ以下もしくは５〜５０ｋＰａに減圧する手
   段として成る請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装
   置。 ３、上記導波管に接続された放射器内の圧力を５〜５０
   ｋＰａとし、かつ、少なくとも前記導波管に接続された
   放射器に冷却手段を付加して、前記放射器内の気体の対
   流により上記マイクロ波窓を冷却するように構成した請
   求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。４、上記放
   射器が接続された導波管の減圧部分と、真空容器とを連
   結する配管を設けると共に、前記配管の途中に両者の圧
   力差が上記マイクロ波窓の耐圧以上になると開放になる
   ような安全弁を接続し、マイクロ波窓の破損を防止する
   用に構成した請求項１乃至３何れか記載のマイクロ波プ
   ラズマ処理装置。 ５、上記導波管の途中でマイクロ波を通す材料により密
   閉して、この部分からマイクロ波窓までの間を排気し減
   圧する手段を設けて成る請求項１乃至４何れか記載のマ
   イクロ波プラズマ処理装置。 ６、上記導波管の途中をマイクロ波を通す材料で密閉し
   た部分に冷却手段を付加し、前記密閉した部分を冷却す
   るように構成して成る請求項５記載のマイクロ波プラズ
   マ処理装置。 ７、上記冷却手段は、導波管の途中をマイクロ波を通す
   材料で密閉した部分の周辺を水冷すると共に、体気圧に
   保持された導波管側から前記密閉した材料に直接圧縮空
   気を吹きつけ空冷するようにして成る請求項６記載のマ
   イクロ波プラズマ処理装置。 ８、上記導波管の一端に接続された放射器を電磁ホーン
   形放射器として成る請求項１乃至４何れか記載のマイク
   ロ波プラズマ処理装置。 ９、上記導波管の一端に接続された放射器の開口部を封
   じて前記真空容器の隔壁の一部を構成するマイクロ波窓
   を、石英板で構成して成る請求項１乃至４何れか記載の
   マイクロ波プラズマ処理装置。