JPH0669161A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロ波の伝播モード夫々に対して電界分
布を均一化し、プラズマ密度の均一化を図る。 【構成】 マイクロ波導入窓８をマイクロ波透過物質か
らなる円板部8a及びこれとレンズ部8bにて構成し、レン
ズ部8bの形状, 肉厚をｘ方向（Ｈ面方向）とｙ方向（Ｅ
面方向）に対して夫々変化させるべくテーパ面8c,8c を
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エッチング，薄膜形成
等の処理を行うプラズマ処理装置、特にそのプラズマを
生成・維持するためのマイクロ波導入部の構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】減圧、低ガス圧力下にある真空容器内
に、マイクロ波を導入することによりガス放電を生起さ
せてプラズマを生成させ、該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、その研究が進められている。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装置として、
有磁場マイクロ波プラズマ装置及び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装置は有望視され
ている。

【０００３】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、図
中31は真空容器を構成するプラズマ生成室，33は同じく
試料室を示している。

【０００４】プラズマ生成室31はその周囲壁を２重構造
にして冷却水の通流室31a を備え、また上部壁中央には
石英ガラスにて封止したマイクロ波導入窓31b を有する
マイクロ波導入口31c を、更に下部壁中央には前記マイ
クロ波導入口31c と対向する位置にプラズマ引出し窓31
d を夫々備えている。前記マイクロ波導入口31c 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31d 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の一端部にわたってこれらを
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31d
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の下部壁もしくは側
部壁には、図示しない排気装置に連なる排気口33a が開
口されている。31g はプラズマ生成室31に連なるガス供
給系、33g は試料室33に連なるガス供給系、31h,31i は
冷却水の供給系, 排出系である。

【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内を所要の圧力まで排気した
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波管32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側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】ところで前述した従来装置では、プラズマ
生成室31の上部壁に開口するマイクロ波導入口31c はマ
イクロ波の透過を許容する石英ガラス板により構成され
たマイクロ波導入窓31b にて気密状態に封止されている
が、マイクロ波導入窓31b はマイクロ波導入口31c を塞
ぐ態様でその終端部に配置され、導波管32の端部のフラ
ンジ32a と重ねた状態で止め具32b にて共止めされてい
る。

【０００８】従って、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
ロ波導入口31c 内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、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。

【０００９】この対策として図９に示す如き装置が本出
願人等によって出願されている（特開昭63-318099 号)
。図９は本出願人等の出願に係る従来のプラズマ装置
の部分断面図であり、プラズマ生成室31に開口するマイ
クロ波導入口31c 内に、これを充足する態様でプラズマ
生成室31の内壁面と面一となるようマイクロ波透過物質
からなるマイクロ波導入窓48を設けてある。他の構成は
前記図７に示す装置と実質的に同じであり、対応する部
分には同じ番号を付してある。

【００１０】図９におけるマイクロ波導入窓48はマイク
ロ波導入口31c の直径及び軸長方向寸法に略等しい円板
部48a の上側に、これよりも大きい矩形、若しくは円形
のフランジ部48b を設けて構成され、円板部48a をマイ
クロ波導入口31c に密に嵌合せしめ、またフランジ部48
b をマイクロ波導入口31c の外周縁に図示しないＯリン
グ等を介在させて当接せしめてあり、円板部48ａの下端
面はプラズマ生成室31の内壁面と面一となるように位置
している。

【００１１】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波導入口31c はマ
イクロ波透過物質であるマイクロ波導入窓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
を生じることがなく、それだけ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。

【００１２】然し、このような従来装置においては、マ
イクロ波のモードとして矩形TE₁₀モード、或いは円形TE
₁₁モードが用いられており、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密度もプラズマ生成室の
中心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
生成室を均一化する装置が提案されている（特開平３−
244123号) 。

【００１３】これは通常使われているマイクロ波が円形
TE₁₁モードで中心が強い電界分布である点に注目し、マ
イクロ波の導入窓に凹レンズを用い、マイクロ波の均一
導入を図ったものである。しかし、円形TE₁₁モードは正
確には図10に示す如く方向により電界分布が異なる。即
ちＥ面方向とＨ面方向で電界分布が異なる（Ｈ面方向の
方が均一性が悪い）ので、電界分布の均一化は不十分で
あり、その結果発生するプラズマの均一化も不十分であ
った。図10はマイクロ波の電界分布図であり、Ｅ面方向
（ｙ方向）に比較してＨ面方向（ｘ面方向）の分布は不
均一となっていることが解る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は係る事情に鑑
みなされたものであって、その目的とするところは、マ
イクロ波のモードに起因するプラズマ生成室へ導入され
るマイクロ波の電界分布の不均一を改善し、マイクロ波
を均一にプラズマ生成室に導入し、均一な密度のプラズ
マを安定して効率よく生成せしめ得るプラズマ処理装置
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマ処
理装置は、マイクロ波導波管からプラズマ生成室へマイ
クロ波を導入するマイクロ波導入部分に、マイクロ波を
プラズマ生成室に均一に導入すべくマイクロ波の伝播方
向に垂直な面内であって直交する方向夫々の断面形状を
異ならせた誘電体を設けたことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明にあっては、マイクロは導入窓のＥ面方
向，Ｈ面方向の断面形状を異ならせたことによって、Ｅ
面方向，Ｈ面方向における電界分布が異なる場合におい
ても電界分布を効果的に均一化させることが可能とな
る。

【００１７】

【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。

【００１８】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1a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導入
口1cが設けられており、ここにはマイクロ波透過物質で
構成したマイクロ波導入窓８を備え、また下部壁中央に
は前記マイクロ波導入窓８と対向する位置にプラズマ引
出し窓1dを備えている。

【００１９】前記マイクロ波導入窓８の外側面には導波
管２の一端部が接続され、またプラズマ引出し窓1d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。

【００２０】導波管２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。

【００２１】試料室３には、プラズマ引出し窓1d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1d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1dと対向させて試料Ｓが配設
されている。

【００２２】図２(a) は前記マイクロ波導入窓８を構成
するマイクロ波導入窓８の拡大斜視図、図２(b) は同じ
くその側面図であり、マイクロ波導入窓８は円板部8aの
上面にこれよりも大径のレンズ部8bを一体形成して構成
され、その円板部8aをマイクロ波導入窓８に密嵌合せし
め、また円形レンズ部8bの周縁をマイクロ波導入窓８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、図１に示す如く導波管２のフランジ部
2aと共に金具2bにて共止めされている。

【００２３】この状態では円板部8aの下端面はプラズマ
生成室１の内壁面と略面一となっている。マイクロ波導
入窓８のレンズ部8bはその表面の１の直径Ｒ側に向けて
その両側面から緩やかに下向きに傾斜するテーパ面8c,8
c に形成されており、その直径Ｒの方向をｙ方向、即ち
マイクロ波のＥ面方向にして、マイクロ波導入口1cに装
着されている。これによってTE₁₁モードのマイクロ波に
おけるｘ方向、即ちＨ面方向における電界強度を均一に
保ち得ることとなる。なお円板部8aとレンズ8bとは別体
に形成してもよい。

【００２４】マイクロ波透過物質としては石英ガラス(
誘電率ε_r ＝3.8)，アルミナ（AI₂Ｏ₃ 誘電率ε_r ＝8.
5) ,BN,SiN, その他耐熱性高分子材料( テフロン, ポリ
イミド) 等、比較的誘電率の大きい材料が用いられる。

【００２５】このような材料を円板形状から凹形状、凸
形状のように変化させると、光がレンズにより拡散, 集
束されるように、マイクロ波も拡散, 集束される。但し
マイクロ波の波長が光に比べ長く且つレンズの大きさと
同じ位であるためこの効果は光ほどには強くない。

【００２６】即ち、通常用いられることの多い円形TE₁₁
モードの電界分布は図10に示すように、中心で最も強く
周辺で弱くなる分布であり、Ｈ面方向の方がＥ面方向に
比べ均一性の悪い分布である。従って、マイクロ波の導
入部に、レンズ効果を持つ形状の誘電体を用いること
で、Ｈ面方向の方がＥ面方向に比べて凹形状の度合いが
大きいのでＨ面方向の方がＥ面方向に比べ拡散の度合い
が大きく、円形TE₁₁モードの方向による不均一性を解消
し、均一性良くマイクロ波をプラズマ生成室に導入する
ことが可能となる。この誘電体の形状は、円形導波管内
のマイクロ波の伝播モードに合わせて設計する。誘電体
の厚みは、機械強度，干渉等の問題を考慮すると20mm以
上が望ましい。

【００２７】その他図中1gはプラズマ生成室１に連なる
ガス供給系、３g は試料室３に連なるガス供給系、１h,
１i は冷却水の供給系, 排出系である。このような本発
明装置を有するプラズマ処理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内を所要の真空度に設定した後、ガス供給管1g,3
g 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、マイクロ波導入窓８を通じてプラ
ズマ生成室１内に導入する。これによってガスは効率的
に電離されて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。

【００２８】このような本発明装置の比較試験について
説明する。なおマイクロ波導入窓８の直径は120mm と
し、また比較例としては図９に示すような従来の凸型の
マイクロ波導入窓を用いた、試料台７上でのｘ方向（Ｈ
面方向）及びｙ方向（Ｅ面方向）に対するイオン飽和電
流密度の分布を比較した。試験条件はArガス圧力１ｍto
rrの下におけるプラズマで評価した。

【００２９】結果は図３に示すとおりである。図３は横
軸に径方向位置（mm) を、また縦軸に飽和イオン電流密
度をとって示してある。グラフ中、○, △は本発明装置
を用いた場合、●, ×は従来装置を用いた場合である。
○及び●がｘ方向での分布に、△，×がｙ方向での分布
に対応している。図３から明らかな如く本発明装置にお
けるイオン飽和電流密度のｘ方向に対する均一性が従来
装置に比べ向上していることがわかる。

【００３０】図２の実施例では、マイクロ波導入窓８の
ｘ方向( マイクロ波のＨ面方向）についてのみ形状・厚
さを独立に変化させた構成を示したがｙ方向についても
ｙ方向の電界分布に沿った形状・厚みの設計を行っても
よい。

【００３１】図４はマイクロ波導入窓８の他の例を示し
ており、図４(a) はその拡大斜視図、図４(b) は 同じ
くその側面図である。この実施例においてはｘ方向につ
いてレンズ部8bの表面が直径Ｒ側に向けて、その両側か
ら段階的に下向きに傾斜するテーパに形成してある。

【００３２】図５はマイクロ波導入窓の更に他の例を示
す斜視図、図６(a) , 図６(b) , 図６(c) は図５の平面
図，正面図，側面図である。この実施例にあっては互い
に直交するｘ方向，ｙ方向夫々の直径Ｒ₁ ，Ｒ₂ 側に向
けてその両側から緩やかに下向きに傾斜するテーパ面と
してある。これによってｘ方向，ｙ方向夫々においてレ
ンズ部8bの表面はその形状，厚さが独立に変化し、Ｅ面
方向，Ｈ面方向夫々についても均一な電界分布が得られ
ることとなる。

【００３３】図７はマイクロ波導入窓の更に他の例を示
す拡大断面図であり、この実施例においてはマイクロ波
透過物質にてレンズ部９のみを構成し、これを図９に示
す従来のマイクロ波導入窓48と同形状のマイクロ波導入
窓10とを組合せた構成としてある。マイクロ波導入窓８
は従来の構成と同じである。レンズ部９は図２に示すマ
イクロ波導入窓８のレンズ部8bと実質的に同じ形状とし
てある。図４，図５に示す各マイクロ波導入窓のレンズ
部のみを別体に形成して図９に示すマイクロ波導入窓48
と組合わせてもよいことは言うまでもない。

【００３４】レンズ部９のｘ方向・ｙ方向に関する厚さ
分布及び形状は磁界強度分布、ガス圧力等により生成さ
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
て最適厚さ・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，
成膜装置として構成した場合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強度の均一性が向上
し、これにより導波管内での伝播モードに対応させて均
一なプラズマ分布が得られ、試料に対する均一なエッチ
ング成膜等を行い得る優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の縦断面図であ
る。

【図２】図１に示すプラズマ導入窓の拡大斜視図及び側
面図である。

【図３】本発明に係るプラズマ処理装置の試験結果を示
すグラフである。

【図４】本発明に係るプラズマ処理装置に用いるプラズ
マ導入窓の他の例を示す拡大斜視図である。

【図５】本発明に係るプラズマ処理装置に用いるプラズ
マ導入窓の更に他の例を示す拡大斜視図である。

【図６】図５に示すプラズマ導入窓の平面図，正面図及
び側面図である。

【図７】本発明に係るプラズマ処理装置に用いるプラズ
マ導入窓の更に他の例を示す縦断面図である。

【図８】従来におけるプラズマ処理装置の縦断面図であ
る。

【図９】同じくその部分拡大断面図である。

【図１０】円形TE₁₁モードのマイクロ波におけるｘ方向
（Ｈ面方向），ｙ方向（Ｅ面方向）に関する電界分布図
である。

【符号の説明】

１ プラズマ生成室 ３ 試料室 ４ 励磁コイル ８ マイクロ波導入窓 8a 円板部 8b レンズ部 8c テーパ面 ９ レンズ部 10 マイクロ波導入窓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波導波管からプラズマ生成室へ
   マイクロ波を導入するマイクロ波導入部分に、マイクロ
   波をプラズマ生成室に均一に導入すべくマイクロ波の伝
   播方向に垂直な面内であって直交する方向夫々の断面形
   状を異ならせた誘電体を設けたことを特徴とするプラズ
   マ処理装置。