JPH0641633B2 - Microwave plasma processing equipment - Google Patents

Microwave plasma processing equipment

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JPH0641633B2
JPH0641633B2 JP22239990A JP22239990A JPH0641633B2 JP H0641633 B2 JPH0641633 B2 JP H0641633B2 JP 22239990 A JP22239990 A JP 22239990A JP 22239990 A JP22239990 A JP 22239990A JP H0641633 B2 JPH0641633 B2 JP H0641633B2
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徹 山口
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は低温プラズマを用いて半導体素子等を製造する
プラズマ処理装置のうち、マイクロ波プラズマを用いた
処理装置に係り、特にCVD、エッチング、スパッタ等
の各技術の大面積処理に好適なマイクロ波プラズマ処理
装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a processing apparatus using microwave plasma among plasma processing apparatuses for manufacturing semiconductor elements and the like using low-temperature plasma, and particularly to CVD, etching, The present invention relates to a microwave plasma processing apparatus suitable for large area processing of various technologies such as sputtering.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体素子の微細化に伴い、ドライプロセスが重要な技
術となってきている。なかでも、マイクロ波を利用した
プラズマ処理技術は重要視されてきている。例えば、マ
イクロ波放電による電子サイクロトロン放電(ECR)を用
いたプラズマ放電は、低圧力(10-5Torr)で放電可能な
ため生成したイオンの方向が揃うこと、高密度プラズ
マが発生できること、無電極放電であるため寿命が長
く、活性ガスを利用できること、等の優れた特性により
注目されてきている。第4図に従来のECR放電を用い
たプラズマ生成源とそれを用いたECR−CVD装置の基本構
成を示す。図示を省略したマイクロ波源は例えば2.45GH
zのマグネトロンを用いて構成される。通常マイクロ波
導波管3は96mm×27mmあるいは109mm×54mmの矩形の導
波管が用いられる。また、プラズマ生成室1の寸法は内
径200mm程度であり、マイクロ波電力の効率的な投入た
めにマイクロ波の空洞共振器構造をとっているものが多
い。導波管3によりプラズマ生成室1に導入されたマイ
クロ波電力はプラズマの生成に消費される。生成された
プラズマはプラズマ引出し窓10から試料9に向けて引き
出される。プラズマ引出し窓10はプラズマ生成室1の空
洞共振器構造の確保及び、生成したプラズマの均一部分
の引出しのために設けられる。即ち、マイクロ波の電界
強度はプラズマ生成室1の周辺部で弱くなり、中心部と
周辺部で発生するプラズマ密度の相違があるため均一部
分のみ引き出す構造となっている。磁気コイル4はいわ
ゆるECR条件を満たす直流磁場(875Gauss)を達成させ
るために設けられている。生成したプラズマは弱磁界領
域である試料9に向けて効率的に拡散する。以上のよう
にして、試料9に到達したプラズマによりCVD、エッ
チング等の基板の処理が行える。
With the miniaturization of semiconductor elements, dry process has become an important technology. Above all, plasma processing technology using microwaves has been regarded as important. For example, plasma discharge using electron cyclotron discharge (ECR) by microwave discharge can discharge at low pressure (10 -5 Torr), so that generated ions can be aligned in the direction, high-density plasma can be generated, and electrodeless Since it is an electric discharge, it has a long life, and active gas can be used. FIG. 4 shows the basic structure of a conventional plasma generation source using ECR discharge and an ECR-CVD apparatus using the same. The microwave source not shown is, for example, 2.45GH
It is constructed using a magnetron of z. Generally, the microwave waveguide 3 is a rectangular waveguide of 96 mm × 27 mm or 109 mm × 54 mm. Further, the plasma generation chamber 1 has an inner diameter of about 200 mm, and often has a microwave cavity structure to efficiently input microwave power. The microwave power introduced into the plasma generation chamber 1 by the waveguide 3 is consumed to generate plasma. The generated plasma is drawn out toward the sample 9 from the plasma drawing window 10. The plasma extraction window 10 is provided for securing the cavity resonator structure of the plasma generation chamber 1 and for extracting a uniform portion of the generated plasma. That is, the electric field strength of the microwave is weakened in the peripheral portion of the plasma generation chamber 1, and there is a difference in plasma density generated in the central portion and the peripheral portion, so that only a uniform portion is drawn out. The magnetic coil 4 is provided to achieve a direct current magnetic field (875 Gauss) satisfying so-called ECR conditions. The generated plasma efficiently diffuses toward the sample 9, which is the weak magnetic field region. As described above, substrate processing such as CVD and etching can be performed by the plasma reaching the sample 9.

従来技術に於けるマイクロ波プラズマ処理装置では、前
述のようにマグネトロンにより発生したマイクロ波電力
を導波管3を介してプラズマ生成室1に導入する構造と
なっている。通常、マイクロ波の導波管中の伝搬モード
は第5図に示すように矩形TE10モードであり、プラズマ
生成室1が円形の場合、マイクロ波のモードは第6図に
示すように、TE11モードが発生する。なお、第5図およ
び第6図中の(a)および(b)はそれぞれ横断面およ
び縦断面図である。
The microwave plasma processing apparatus in the prior art has a structure in which the microwave power generated by the magnetron is introduced into the plasma generation chamber 1 via the waveguide 3 as described above. Usually, the propagation mode of the microwave in the waveguide is the rectangular TE10 mode as shown in FIG. 5, and when the plasma generation chamber 1 is circular, the microwave mode is the TE11 mode as shown in FIG. Occurs. In addition, (a) and (b) in FIG. 5 and FIG. 6 are a horizontal cross section and a vertical cross section, respectively.

より大面積なマイクロ波プラズマの生成を可能な技術と
して、例えば特開平1−122123号公報に述べられている
ようにマイクロ波のモードを制御する技術がある。本技
術では第7図に示すようにマイクロ波の導波管3とプラ
ズマ生成室1の接続面2の断面形状が向き合う2辺がほ
ぼプラズマ生成室の軸を中心とする同心円の円弧である
4辺形の形状となるようにすることによりマイクロ波の
モードを制御しようとするものであった。本技術ではTM
O1モード、TM11モード等の形成が可能である。
As a technique capable of generating a microwave plasma having a larger area, there is a technique for controlling a microwave mode as described in, for example, JP-A-1-122123. In the present technology, as shown in FIG. 7, two sides where the cross-sectional shapes of the microwave waveguide 3 and the connection surface 2 of the plasma generation chamber 1 face each other are arcs of concentric circles about the axis of the plasma generation chamber 4 It was intended to control the microwave mode by making the shape of a quadrangle. In this technology TM
O1 mode, TM11 mode, etc. can be formed.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

しかしながら、特開昭1−122123号公報に述べられてい
るTMO1モード、TM11モードのマイクロ波によるプラズマ
生成技術は以下の課題がある。TE11モード、TM11モー
ド、TMO1モードに対し円筒導波管の半径aは伝搬するマ
イクロ波の遮断波長をλcとすると以下の関係がある。
However, the plasma generation technique using microwaves of TMO1 mode and TM11 mode described in JP-A-1-122123 has the following problems. For TE11 mode, TM11 mode, and TMO1 mode, the radius a of the cylindrical waveguide has the following relationship when the cutoff wavelength of the propagating microwave is λc.

λc=3.412a(TE11モード) λc=1.640a(TM11モード) λc=2.613a(TMO1モード) 上記式より従来のTE11モードに対してTM11モードでは円
筒導波管の半径a2.08倍、TMO1モードでは1.31倍に大き
くできる。しかしながら、TM11モードでは第8図に示す
ようにマイクロ波の電磁界分布が一様でなくひいては均
一なプラズマの生成ができない課題がある。第9図に示
すように、TMO1モードではアイクロ波の電磁界分布が一
様となるものの大面積化の観点からは従来のTE11モード
の1.31倍の大きさにしかならない。
λc = 3.412a (TE11 mode) λc = 1.640a (TM11 mode) λc = 2.613a (TMO1 mode) From the above formula, the TM11 mode has a radius a2.08 times the cylindrical waveguide radius in the TM11 mode compared to the conventional TE11 mode. Then it can be increased to 1.31 times. However, in the TM11 mode, there is a problem that the electromagnetic field distribution of microwaves is not uniform as shown in FIG. 8 and thus uniform plasma cannot be generated. As shown in FIG. 9, the electromagnetic field distribution of the eye wave is uniform in the TMO1 mode, but from the viewpoint of increasing the area, it is only 1.31 times the size of the conventional TE11 mode.

本発明の目的はプラズマ生成室に均一なマイクロ波電力
を効率よく大面積で導入するプラズマ処理装置を提供す
るものである。
An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus that efficiently introduces uniform microwave power into a plasma generation chamber over a large area.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波電
源と接続する導波管と、該導波管と接続するプラズマ生
成室とからなるプラズマ処理装置において、少なくとも
1つの前記導波管と前記プラズマ生成室との接続面の断
面形状は該導波管のH面と該接続面との交線を半径と
し、E面と該接続面との交線を円弧とした形状であるこ
とを特徴とするものである。
The microwave plasma processing apparatus of the present invention is a plasma processing apparatus comprising a waveguide connected to a microwave power supply and a plasma generation chamber connected to the waveguide, and at least one of the waveguide and the plasma generation chamber. The cross-sectional shape of the connecting surface with the chamber is characterized in that the line of intersection between the H surface of the waveguide and the connecting surface is a radius, and the line of intersection between the E surface and the connecting surface is an arc. It is a thing.

〔作用〕[Action]

上記の構成とすることにより、プラズマ生成室内の伝搬
モードは、後に詳述するようにTEO1モードとなり、プラ
ズマ生成室内にマイクロ波電力が効率よく均一に伝播さ
れ、かつ従来よりも大面積なプラズマ生成が可能とな
る。
With the above configuration, the propagation mode in the plasma generation chamber becomes the TEO1 mode, as will be described in detail later, microwave power is efficiently and uniformly propagated in the plasma generation chamber, and a plasma with a larger area than in the past is generated. Is possible.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の一実施例を示したものである。前述の
ように通常の矩形導波管では96mm×27mmあるいは109mm
×54mmの導波管が使用されていた。これらの導波管では
TE10モードでマイクロ波を伝搬するため例えば円筒の形
状をもつプラズマ生成室に単純に接続するとプラズマ生
成室内にはTE11モードの発生若しくは高調波成分の発生
が促進され均一なマイクロ波電界が得られにくい。従っ
て均一なマイクロ波電力の投入を行なうため例えば円筒
の形状をもつプラズマ生成室1の側壁に平行な電気力線
を有するマイクロ波モードを生成するため、矩形導波管
3の形状の2つの短辺のうち1辺を円弧状に、残り1辺
を円弧の中心点になるような変換器20を接続する。本変
換器の長さは例えば、伝搬されるマイクロ波の波長(2.
45GHzに対して122mm)と同程度若しくはそれ以上の長さ
にすればよい。以上のようにしてマイクロ波の電気力線
は円弧に平行な電気力線をもつこととなる。第2図は上
記の変換器20を複数配置することにより、マイクロ波を
大面積で導入することを可能とした一例である。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. As mentioned above, with a regular rectangular waveguide, 96 mm × 27 mm or 109 mm
A x54 mm waveguide was used. In these waveguides
Since microwaves propagate in the TE10 mode, for example, if it is simply connected to a plasma generation chamber with a cylindrical shape, generation of TE11 mode or generation of harmonic components is promoted in the plasma generation chamber, and it is difficult to obtain a uniform microwave electric field. . Therefore, in order to uniformly input microwave power, for example, in order to generate a microwave mode having electric lines of force parallel to the side wall of the plasma generation chamber 1 having a cylindrical shape, two short shapes of the rectangular waveguide 3 are formed. A converter 20 is connected so that one of the sides is an arc and the remaining one is the center point of the arc. The length of this converter is, for example, the wavelength (2.
The length may be equal to or longer than 122 mm for 45 GHz). As described above, the lines of electric force of the microwave have lines of electric force parallel to the circular arc. FIG. 2 shows an example in which microwaves can be introduced in a large area by arranging a plurality of the converters 20 described above.

第3図は第2図(a)〜(e)による断面における電磁
界分布を表わす図である。第3図に示すように、一般的
な矩形導波管中の伝搬モードであるTE10モード(a)は
(b)→(c)のように変形され、さらに(c)→
(d)と積み重ねられて、電気力線に平行な面(E面)
が円弧状になり、電気力線に直角な隔壁(H面)を取り
去ると、(e)に示すような円形TE01モードが得られ
る。この様にして得られたTE01モードを生成する円筒導
波管の寸法は従来用いられているTE10モード伝搬用の矩
形導波管寸法と比して大きくしかも均一なマイクロ波電
力を伝搬することが可能となる。従って、プラズマ生成
室に接続する導波管径が大きくできること、更にTE01モ
ードを利用することにより導波管径の大きさに関わらず
一様な分布のマイクロ波を伝搬できるため、大面積なプ
ラズマの生成が可能となる。
FIG. 3 is a diagram showing an electromagnetic field distribution in a cross section according to FIGS. 2 (a) to (e). As shown in FIG. 3, the TE10 mode (a) which is a propagation mode in a general rectangular waveguide is transformed as shown in (b) → (c), and further, (c) →
A surface (E surface) that is stacked with (d) and is parallel to the lines of electric force.
Becomes a circular arc and the partition wall (H surface) perpendicular to the lines of electric force is removed to obtain a circular TE01 mode as shown in (e). The size of the cylindrical waveguide for generating the TE01 mode thus obtained is larger than that of the rectangular waveguide used for the TE10 mode propagation conventionally used, and the microwave power can be uniformly propagated. It will be possible. Therefore, the diameter of the waveguide connected to the plasma generation chamber can be increased, and the TE01 mode can be used to propagate microwaves with a uniform distribution regardless of the size of the waveguide diameter. Can be generated.

第2図は8個の矩形導波管を用いてTE01モードの大面積
導波管を形成した例であるが、矩形導波管の個数は特に
こだわらなくても本発明の効果を達成でき、第1図のよ
うに1個でも良い。また、第2図に示す導波管の内任意
の導波管を1個若しくは複数個欠落した構成にしても本
発明に示す効果を得ることができる。
FIG. 2 shows an example in which a large-area TE01 mode waveguide is formed by using eight rectangular waveguides. However, the effect of the present invention can be achieved without particular limitation on the number of rectangular waveguides. One may be used as shown in FIG. Further, the effect shown in the present invention can be obtained even if one or more arbitrary waveguides are omitted from the waveguides shown in FIG.

TE01モードにおいてはマイクロ波遮断波長λc、円筒導
波管の半径aに対し、λc=1.640aの関係が成立するた
め従来のTE11モードのマイクロ波導波管寸法の2.08倍の
大型化が可能である。
In the TE01 mode, the microwave cutoff wavelength λc and the radius a of the cylindrical waveguide satisfy the relationship of λc = 1.640a, so that the size of the conventional TE11 mode microwave waveguide can be increased by 2.08 times. .

本発明によるとTE01モードのマイクロ波を積極的に利用
することにより導波管の寸法が大きくでき大面積のプラ
ズマ生成室に均一にマイクロ波電力を投入できる。
According to the present invention, by positively utilizing the TE01 mode microwave, the size of the waveguide can be increased, and the microwave power can be uniformly input to the large-area plasma generation chamber.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明は大面積のプラズマ生成に適したようにマイクロ
波の伝搬モードを制御できるため、大面積のマイクロ波
プラズマ処理が可能となる。本発明によるマイクロ波プ
ラズマ処理装置を用いることによりエッチング、デポジ
ション、スパッタ及びイオンビームミキシング、イオン
注入の各プロセスに対し均一で大面積な処理を可能とす
る。
Since the present invention can control the microwave propagation mode so as to be suitable for large-area plasma generation, large-area microwave plasma processing can be performed. By using the microwave plasma processing apparatus according to the present invention, it is possible to perform uniform and large-area processing for each process of etching, deposition, sputtering, ion beam mixing, and ion implantation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の第1の実施例を表わす図、 第2図は本発明の第2の実施例を表わす図、 第3図は本発明による矩形導波管から大型円筒導波管ま
での電磁界分布を示す図、 第4図は従来のプラズマ処理装置の一例を表わす図、 第5図はTE10の矩形導波管における電磁界分布を表わす
図、 第6図はTE11モードの円筒導波管における電磁界分布を
表わす図、 第7図は大面積プラズマ生成に関する先行技術の一例を
表わす図、 第8図および第9図はそれぞれTM11モードおよびTM01モ
ードの円筒導波管における電磁界分布を表わす図。 1……プラズマ生成室、2……マイクロ波導入窓、 3……マイクロ波導波管、4……磁気コイル、 5及び6……ガス導入口、7……プラズマ流、 8……試料台、9……試料。
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram from a rectangular waveguide to a large cylindrical waveguide according to the present invention. Fig. 4 is a diagram showing an example of a conventional plasma processing apparatus, Fig. 5 is a diagram showing an electromagnetic field distribution in a TE10 rectangular waveguide, and Fig. 6 is a TE11 mode cylindrical conductor. FIG. 7 is a diagram showing an electromagnetic field distribution in a wave tube, FIG. 7 is a diagram showing an example of a prior art relating to large-area plasma generation, and FIGS. 8 and 9 are electromagnetic field distributions in a TM11 mode and TM01 mode cylindrical waveguide, respectively. Fig. 1 ... Plasma generation chamber, 2 ... Microwave introduction window, 3 ... Microwave waveguide, 4 ... Magnetic coil, 5 and 6 ... Gas introduction port, 7 ... Plasma flow, 8 ... Sample stage, 9 ... Sample.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大島 孝晴 福岡県北九州市戸畑区大字中原46―59 新 日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Takaharu Oshima 46-59 Nakahara, Tobata-ku, Kitakyushu, Fukuoka Prefecture Nippon Steel Corporation Machinery & Plant Division

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】マイクロ波電源と接続する導波管と、該導
波管と接続するプラズマ生成室とからなるプラズマ処理
装置において、 少なくとも一つの前記導波管と前記プラズマ生成室との
接続面の断面形状は該導波管のH面と該接線面との交線
を半径とし、E面と該接続面との交線を円弧とした形状
であることを特徴とするプラズマ処理装置。
1. A plasma processing apparatus comprising a waveguide connected to a microwave power source and a plasma generation chamber connected to the waveguide, wherein at least one connection surface between the waveguide and the plasma generation chamber. The plasma processing apparatus is characterized in that the cross-section has a radius of intersection between the H-plane and the tangential plane of the waveguide and an arc between the E-plane and the connection plane.
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