JPH0645098A

JPH0645098A - プラズマ処理方法および装置

Info

Publication number: JPH0645098A
Application number: JP5101144A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Katayama; 克生片山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1994-02-18
Anticipated expiration: 2015-09-04
Also published as: JP3085019B2

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ生成室内へマイクロ波を均一に導入
し、プラズマ生成室内でのプラズマ分布を均一化する。【構成】プラズマ生成室１のマイクロ波導入窓1bに連
結する導波管２の途中に、マイクロ波の矩形TE₁₀モード
を円形TM₀₁モードまたは円形TE₀₁モードに変換するモー
ド変換器５を設けると共に、前記マイクロ波導入窓1bを
平凸形形状のレンズ部8bを有するマイクロ波透過物質８
にて密封する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波を用いて発生
させたプラズマにてエッチング，薄膜形成等を行なうプ
ラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】低ガス圧力下にある真空容器内にマイク
ロ波を導入し、ガス放電を生起させてプラズマを生成さ
せ、このプラズマを試料基板の表面に照射することによ
り、エッチング，薄膜形成等の処理を行うプラズマ処理
方法及び装置は、高集積半導体素子等の製造に欠かせな
いものとしてその研究開発が進められている。

【０００３】特に、低ガス圧力領域で活性度の高いプラ
ズマを生成できる方法として、有磁場マイクロ波プラズ
マ装置、或いは電子サイクロトロン共鳴励起によりプラ
ズマを発生させる方法は有望視されている。図８は、エ
ッチング装置として構成した従来におけるマイクロ波を
用いた電子サイクロトロン共鳴励起を利用するプラズマ
処理装置の縦断面図であり、真空容器はプラズマ生成室
31，試料室33から構成されている。

【０００４】プラズマ生成室31は水冷構造を備えてお
り、中央には石英ガラス31a にて封止したマイクロ波導
入窓31b を、更に下部壁中央には前記マイクロ波導入窓
31b と対向する位置にプラズマ引出し窓31c を夫々備え
ている。前記マイクロ波導入窓31b には他端を図示しな
いマイクロ波発振器に接続した導波管32の一端が接続さ
れ、またプラズマ引出し窓31c に臨ませて試料室33を配
設し、更に周囲にはプラズマ生成室31及びこれに接続さ
れた導波管32の一端部にわったてこれらを囲む態様でこ
れらと同心円上に励磁コイル34を配設してある。

【０００５】試料室３３内には前記プラズマ引出し窓31
c と対向する位置に試料台37が配設され、その上にはウ
ェハ等の試料Ｓがそのまま、または静電吸着等の手段に
て着脱可能に載置され、また試料室33の下部壁又は側部
壁には、図示しない排気装置による排気口33a が開口さ
れている。31g,33g はガス供給系である。

【０００６】このようなエッチング装置にあっては、プ
ラズマ生成室31, 試料室33内を所要の圧力に設定した
後、プラズマ生成室31内にガス供給系31g を通じて、所
要のガス圧力が得られるようにガスを供給し、励磁コイ
ル34にて磁界を形成しつつマイクロ波導入窓31b を通じ
てプラズマ生成室31内にマイクロ波を導入し、プラズマ
生成室31を空洞共振器としてガスを共鳴励起し、プラズ
マを生成させる。生成したプラズマは励磁コイル34にて
形成される試料室33に向かうに従い磁束密度が低下する
発散磁界によって試料室33内の試料Ｓ周辺に引き出さ
れ、試料室33内の試料Ｓ表面をエッチングするようにな
っている（特開昭57-133636 号公報) 。

【０００７】ところで上述した如き従来装置ではプラズ
マ生成室31の上部壁に開口するマイクロ波導入窓31b は
マイクロ波物質である石英ガラス板31a にて気密状態に
封止されているが、マイクロ波に対する空洞共振器とし
て機能するプラズマ生成室31側からみた場合、マイクロ
波導入窓31b は空間となっており、プラズマ生成室31の
内壁面との間に段差が形成される結果、この部分でマイ
クロ波が異常反射し、またこれに起因してプラズマ分布
の均一性が悪化する等の問題があった。この対策として
図９に示す如き装置が本出願人等によって既に出願され
ている（特開昭63-318099 号) 。

【０００８】図９は本出願人の出願に係る従来のプラズ
マ処理装置の部分断面図であり、プラズマ生成室31に開
口するマイクロ波導入窓31b 内にこれを充足する態様で
プラズマ生成室内壁面と面一となるマイクロ波透過物質
48を介在させてある。マイクロ波透過物質48は石英等が
用いられ、マイクロ波導入窓31b に密に嵌入する円板部
48a とこの上部に連なるフランジ部48b とを備えるよう
一体形成されており、導波管32の下端に設けたフランジ
32a と共に止め金具32b にて一体的に固定されている。

【０００９】このような従来装置にあってはプラズマ生
成室31の上部壁に開口するマイクロは導入窓31b はマイ
クロ波透過物質48にて隙間なく充足された状態となって
おり、マイクロ波の異常反射が低減され、プラズマの生
成も均一化されることとなる。

【００１０】しかし、このような従来の装置において
は、マイクロ波のモードとして図10に示す如き矩形TE₁₀
モード、或いは図11に示す如き円形TE₁₁モードが使われ
ており、これらの電界分布は中心部が強いために、生成
するプラズマの密度もプラズマ生成室31の中心部で強い
分布となる問題があった。そこでプラズマ生成室内での
マイクロ波の分布を均一化するため、マイクロ波の導入
窓に凹レンズのようなマイクロ波の拡散手段を設け、マ
イクロ波の電界分布を均一化し、プラズマの生成を均一
化する装置が提案されている（特開平3-244123) 。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来技術ではプラズマ生成室内でのマイクロ波の電界強度
分布の均一性が若干改善されるものの、プラズマは中心
部が強くなるという傾向を有するので、より均一性良く
プラズマを発生させることが困難であるという問題を有
していた。

【００１２】本発明はかかる事情に鑑みなされたもので
あって、その目的とするところは、電界強度が中心で最
強とはならないモードのマイクロ波と、マイクロ波の伝
播方向を変化させ電界を集束する手段を組み合わせるこ
とによって、マイクロ波の異常反射による分布の不均一
は勿論、導波管内での伝播モードに起因するマイクロ波
電界強度の不均一も解消しマイクロ波電界強度の面内均
一性を向上させ、プラズマを均一性良く、安定して生成
し得るようにしたプラズマ処理方法を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマ処
理方法は、円形導波管のTM₀₁モードまたは円形導波管の
TE₀₁モードのマイクロ波をその電界収束手段により真空
容器内に導入し、プラズマを発生させ試料を処理するこ
とを特徴とし、また、本発明に係るプラズマ処理装置
は、プラズマを発生させその内部において試料を処理す
る真空容器と、前記真空容器へ導入するマイクロ波の発
生手段と、前記発生したマイクロ波のモードを円形導波
管のTM₀₁モードに変換するモード変換器または前記発生
したマイクロ波のモードを円形導波管のTE₀₁モードに変
換するモード変換器と、前記変換されたマイクロ波を電
界分布を均一化しつつ真空容器内に導入すべく設けられ
た電界収束手段とを備えることを特徴とする。

【００１４】

【作用】プラズマ生成室内でのプラズマの発生は中心部
が強くなる傾向がある。これは一つには通常使われてい
るマイクロ波が中心部の電界強度が強いものであること
とプラズマ自身の性質に起因する。したがって本発明に
あっては、中心部で電界が弱く周辺部で電界が強い電界
分布を有するマイクロ波を用い、これに例えば凸型形状
の誘電体のようにマイクロ波の電界集束機能を有するも
のを組み合わせ、プラズマ生成室内に導入するマイクロ
波の電界分布を均一あるいは中心部より周辺部がやや強
い分布とし、これによりプラズマ生成室内でのプラズマ
の発生を均一化することを可能とするのである。

【００１５】また凸型形状の誘電体をマイクロ波の電界
集束手段として用いる場合、夫々の装置のマイクロ波導
入部の構造に合わせ、この凸部の曲率半径Ｒを決定する
こと等によって集束の度合を制御しマイクロ波の電界分
布を制御することができる。ただし、このＲの決定にあ
たって、Ｒ＝∞は凸型の形状ではなくなるので除かれる
のは言うまでもない。

【００１６】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づき
具体的に説明する。図１は本発明の一実施例であるプラ
ズマ処理装置の縦断面図、図２はマイクロ波導入窓1bの
部分拡大断面図であり、従来装置と同様に真空容器はプ
ラズマ生成室１と試料室３とにより構成される。

【００１７】プラズマ生成室１は周囲壁を２重構造とし
て冷却水の通流室を備える中空円筒形をなし、マイクロ
波に対して空洞共振器を構成するよう形成されている。
プラズマ生成室１の上部壁中央にはマイクロ波透過物質
８を設けたマイクロ波導入窓1bを備え、また下部壁中央
には前記マイクロ波導入窓1bと対向する位置にプラズマ
引出し窓1cを備えている。

【００１８】前記マイクロ波導入窓1bにはマイクロ波透
過物質８にて封止されており、その外部には導波管２の
一端部が接続され、またプラズマ引出し窓1cにはこれに
臨ませて試料室３が配設され、更に周囲にはプラズマ生
成室１及びこれに連結された導波管２の一端部にわたっ
て励磁コイル４が周設せしめられている。

【００１９】導波管２の中間にはモード変換器５を介在
させてあり、その他端部は図示しないマイクロ波発振器
に接続され、発生した矩形TE₁₀モードのマイクロ波をモ
ード変換器５にて図３に示す如き円形TM₀₁モードのマイ
クロ波に変換する、あるいは別のモード変換器５にて発
生した矩形TE₁₀モードのマイクロ波を図４に示す如き円
形TE₀₁モードのマイクロ波に変換してプラズマ生成室１
内に導入し、ここに電界を形成するようにしてある。ま
た励磁コイル４は図示しない直流電源に接続されてお
り、直流電流の通流によりプラズマ生成室１内にプラズ
マを生成させるための磁界を形成させると共に、試料室
３側に向けて磁束密度が低くなる発散磁界を形成させ、
この発散磁界によって、プラズマ生成室１内に生成され
たプラズマを試料室３内に導入せしめるようになってい
る。

【００２０】試料室３には、プラズマ引出し窓1cと対向
する底壁に図示しない排気装置に連なる排気口3aを開口
してあり、また内部には前記プラズマ引出し窓1cの直下
にこれと対向させて試料台７が配設され、この試料台７
上に前記プラズマ引出し窓1cと対向させて試料Ｓが配設
されている。

【００２１】前記マイクロ波透過物質８は図２に示す如
く円板部8aの下面側にこれよりも小さい円形の平凸形形
状のレンズ部8bを一体形成して構成され、そのレンズ部
8bをマイクロ波導入窓1bに密嵌合せしめ、また円形部8a
の周縁をマイクロ波導入窓1bの上部外周縁に図示しない
Ｏリング等を介在させて気密状態に当接せしめ、導波管
２のフランジ部2aと共に金具2bにて共止めされている。
この状態ではレンズ部8bの下端面はプラズマ生成室１の
内壁面よりも若干下方に突出する態様となるように位置
している。なお円板部8aとレンズ部8bとは別体に形成し
てもよい。

【００２２】マイクロ波透過物質８としては石英ガラ
ス, アルミナ（Al₂Ｏ₃ ）,BN,SiN,その他、耐熱性高分
子材料（テフロン, ポリイミド) 等、比較的誘電率εr
の大きいものが用いられる。

【００２３】而してこのような本発明装置にあっては、
試料室３内の試料台７上に試料Ｓを載置し、プラズマ生
成室１，試料室３内を所要の圧力に設定した後、ガス供
給管1g,3g を通じてガスをプラズマ生成室１，試料室３
内に供給し、このような状態で励磁コイル４に直流電流
を通流すると共に、導波管２，モード変換器５，マイク
ロ波導入窓1b及びマイクロ波透過物質８を通じて円形TM
₀₁モードまたは円形TE ₀₁モードのマイクロ波をプラズマ
生成室１内に導入する。これによってガスが効率的に電
離され、プラズマが生成され、生成したプラズマは励磁
コイル４にて形成される発散磁界によって試料室３内に
導入され、試料室３内のガスを活性化し、試料Ｓ表面へ
のエッチング、或いは薄膜形成が行われることとなる。

【００２４】図３、図４はプラズマ生成室１との連結部
近傍における円形の導波管２内における円形TM₀₁モー
ド、円形TE₀₁モードそれぞれの電磁界分布の説明図であ
り、図３(a) 、図４(a) はその横断面図、図３(b) 、図
４(b) は同じくその縦断面図である。図中実線は電界、
破線は磁界を夫々示している。図３、図４から明らかな
如く、導波管２内におけるマイクロ波の分布は導波管２
の横断面の中心部で０であり中心部が弱く周辺が強い分
布である。

【００２５】図５は本発明の他の実施例を示す模式的縦
断面図であり、マイクロ波導入窓1cにマイクロ波透過物
質９，10を設けた構成としてある。マイクロ波透過物質
９は図９に示す従来のマイクロ波透過物質48と実質的に
同じ形状に形成され、その上面にこれと接した状態（こ
の場合マイクロ波透過物質９,10 を一体形成したものを
用いても良い）、又はこれとの間に熱伝導を遮断し得る
僅かな間隔を隔ててマイクロは透過物質10を固定してあ
る。

【００２６】図６、図７は図１、図２に示す本発明装置
の試験結果を示すグラフである。図６はマイクロ波とし
て周波数2.45GHz の矩形TE₁₀モードのマイクロ波を矩形
TE₁₀モードを円形TM₀₁モードに変換するモード変換器５
によりマイクロ波円形TM₀₁モード変換し、図２に示す平
凸形形状のレンズ部8bを介しプラズマ生成室内に導入
し、プラズマを生成させたときの試料台位置でのその半
径方向における飽和イオン電流密度のグラフである。本
発明における図２に示す平凸形形状のレンズ部8bの凸部
の曲率半径は100mm とした。また、プラズマ生成の条件
は以下の通りである。 Arガス：120sccm 圧力：１mTorr マイクロ波パワー：１kW

【００２７】参照のためやはり図８に示す従来装置 (た
だしマイクロ波導入部は図９の構成の装置) 、及び図８
に示す従来装置 (ただしマイクロ波導入部は図９の構成
の装置) における導波管32の途中に矩形TE₁₀→円形TM₀₁
のモード変換器を設けた装置について同様の試験を行っ
た。

【００２８】図６に示すグラフにおいて○印は本発明方
法及び装置を用いた場合 (円形TM₀₁モードのマイクロ波
を図２に示す平凸形形状のレンズ部を通し導入）の、ま
た△印は図８に示す従来装置の場合（矩形TE₁₀モードの
マイクロ波を導入）の結果である。なお、□印は従来装
置における導波管32の途中に矩形TE₁₀→円形TE₀₁のモー
ド変換器を設けた場合（円形TM₀₁モードのマイクロ波を
導入）の結果である。

【００２９】図６のグラフから明らかな如く、プラズマ
生成室内に導入するマイクロ波としては、矩形TE₁₀モー
ドより円形TM₀₁モードを導入する方が飽和イオン電流密
度分布の均一性が高く、しかも図２に示す凸レンズ形を
なすマイクロ波透過物質を用いることにより均一性が一
層向上することが解る。

【００３０】図７はモード変換器５として矩形TE₁₀モー
ドを円形TE₀₁モードに変換するモード変換器を用い、マ
イクロ波として周波数2.45GHz の矩形TE₁₀モードのマイ
クロ波を円形TE₀₁モード変換し、図２に示す平凸形形状
のレンズ部8bを介しプラズマ生成室内に導入し、プラズ
マを生成させたときの試料台位置でのその半径方向にお
ける飽和イオン電流密度のグラフである。本発明におけ
る図２に示す平凸形形状のレンズ部8bの凸部の曲率半径
も100mm とした。また、プラズマ生成の条件は図６のも
のと同様に以下の通りである。 Arガス：120sccm 圧力：１mTorr マイクロ波パワー：１kW

【００３１】参照のためやはり図８に示す従来装置 (た
だしマイクロ波導入部は図９の構成の装置) 、及び図８
に示す従来装置 (ただしマイクロ波導入部は図９の構成
の装置) における導波管32の途中に矩形TE₁₀→円形TE₀₁
のモード変換器を設けた装置について同様の試験を行っ
た。

【００３２】図７に示すグラフにおいて○印は本発明方
法及び装置を用いた場合（円形TE₀₁モードのマイクロ波
を図２に示す平凸形形状のレンズ部を通し導入）の、ま
た△印は図８に示す従来装置の場合（矩形TE₁₀モードの
マイクロ波を導入）の結果である。なお、□印は従来装
置における導波管32の途中に矩形TE₁₀→円形TE₀₁のモー
ド変換器を設けた場合（円形TE₀₁モードのマイクロ波導
入）の結果である。

【００３３】図７のグラフから明らかな如く、やはり、
プラズマ生成室内に導入するマイクロ波としては、矩形
TE₁₀モードより円形TE₀₁モードを導入する方が飽和イオ
ン電流密度分布の均一性が高く、しかも図２に示す凸レ
ンズ形をなすマイクロ波透過物質を用いることによりさ
らに均一性が向上することが解る。また、円形TE₀₁モー
ドを導入する方が円形TM₀₁モードを導入するより飽和イ
オン電流の値が高い結果であった。

【００３４】マイクロ波透過物質８，９，10の材料, 曲
率半径は、磁界強度分布、ガス圧力等による生成される
プラズマの特性、即ち、プラズマ密度，プラズマ誘電
率，プラズマ・インピーダンスが変化することによって
最適形状が変化するから、これらに応じて数値，形状を
設定すればよい。

【００３５】上述の実施例は本発明装置をエッチング、
或いは成膜装置に適用した構成について説明したが何ら
これに限るものではなく、例えばスパッタリング装置等
にも適用し得ることは勿論である。

【００３６】

【発明の効果】以上の如く本発明にあっては、プラズマ
生成室におけるマイクロ波の電界分布を制御することに
より均一なプラズマ分布が得られ、試料の均一なエッチ
ング，薄膜形成等が出来るという優れた効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す装置の模式的縦断面図で
ある。

【図２】本発明の実施例を示す装置の部分拡大断面図で
ある。

【図３】図１，図２に示す本発明の実施例を示す装置に
おいて用いられる円形TM₀₁モードの導波管内の電磁界分
布の説明図である。

【図４】図１、図２に示す本発明の実施例を示す装置に
おいて用いられる円形TE₀₁モードの導波管内の電磁界分
布の説明図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す部分縦断面図であ
る。

【図６】本発明装置と従来装置との比較試験結果を示す
グラフである。

【図７】本発明装置と従来装置との比較試験結果を示す
グラフである。

【図８】従来装置の模式的縦断面図である。

【図９】他の従来装置の部分拡大断面図である。

【図１０】従来広く用いられている矩形TE₁₀モードの電
磁界分布の説明図である。

【図１１】従来広く用いられている円形TE₁₁モードの電
磁界分布の説明図である。

【符号の説明】

１プラズマ生成室 1b マイクロ波導入窓 1c プラズマ引出し窓２導波管３試料室４励磁コイル５モード変換器７試料台８，９，10 マイクロ波透過物質Ｓ試料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円形導波管のTM₀₁モードまたは円形導波
管のTE₀₁モードのマイクロ波をその電界収束手段により
真空容器内に導入し、プラズマを発生させ試料を処理す
ることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】プラズマを発生させその内部において試
料を処理する真空容器と、前記真空容器へ導入するマイ
クロ波の発生手段と、前記発生したマイクロ波のモード
を円形導波管のTM₀₁モードに変換するモード変換器また
は前記発生したマイクロ波のモードを円形導波管のTE₀₁
モードに変換するモード変換器と、前記変換されたマイ
クロ波を電界分布を均一化しつつ真空容器内に導入すべ
く設けられた電界収束手段とを備えることを特徴とする
プラズマ処理装置。