JPH07142196A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置を大型化させることなく均一な密度分布
を有するプラズマを大面積で安定して発生させるプラズ
マ処理装置を提供する。 【構成】 真空容器２１のマイクロ波導入窓２２からプ
ラズマ生成領域までの間に真空中の屈折率より大きい屈
折率を有する誘電体２７が充填されるので，所定開口径
で導入されたマイクロ波が所要面積のプラズマ生成領域
に均一な電力密度で伝播する距離は，上記誘電体２７の
屈折率に対応して小さくすることができる。従って，同
一面積のプラズマ生成領域を形成させるために必要な真
空容器２１の容積を小さく構成することが可能となる。
又，マイクロ波は上記誘電体２７中を伝播してプラズマ
生成領域に到達するので，プラズマの影響を受けること
がなく，均一な電力密度分布が安定して得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，主として半導体集積回
路の製造プロセスに用いられるプラズマ処理装置に係
り，詳しくは，マイクロ波を用いて発生させたプラズマ
により所要の処理を行うプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空容器内に導入した処理ガスを然るべ
きプラズマ発生手段によりプラズマ化し，該プラズマに
よって生成されたプラズマ生成物によって真空容器内に
配設した被処理物に対してエッチング，ＣＶＤ等の処理
を行うことができる。上記プラズマ発生手段として，マ
イクロ波を利用するものが知られている。マイクロ波を
利用したプラズマ発生は，真空容器内に磁場を作用させ
るものと，磁場を使用せずマイクロ波のみによるものと
があり，本発明はこの両者に共通する。マイクロ波を用
いたプラズマ処理装置の従来構成として，マイクロ波に
磁場を併用した代表的装置であるＥＣＲ（Electron Cyc
lotron Resonance−電子サイクロトロン共鳴）プラズマ
処理装置の例を図４に示す。図４において，ＥＣＲプラ
ズマ処理装置１５では，真空容器１と同軸に配置された
磁気コイル１０ａ，１０ｂから真空容器１内に磁場を印
加すると共に，真空容器１の中心軸上に設けたマイクロ
波導入窓２に接続されたホーンアンテナ９から真空容器
１内にマイクロ波を導入する。真空容器１内に処理ガス
導入ポート３から処理ガスを導入すると，上記磁気コイ
ル１０ａ，１０ｂによる磁場と，マイクロ波による高周
波電界と，処理ガス中の電子との３要素が引き起こす電
子サイクロトロン共鳴によって処理ガスがプラズマ化さ
れる。プラズマ生成領域１３に発生させたプラズマによ
って生じたイオン，ラジカルを真空容器１内の試料台１
１上に配置した被処理物１２に照射することにより，エ
ッチング，ＣＶＤ等の処理を行うことができる。上記従
来例は，真空容器内に磁場とマイクロ波とを作用させる
ＥＣＲによってプラズマを発生させるプラズマ処理装置
の例であるが，マイクロ波による高周波電界の作用のみ
によってもプラズマを発生させることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】磁場とマイクロ波とに
よるプラズマ，マイクロ波のみによるプラズマのいずれ
の場合においても，プラズマ処理に利用するためには，
発生させたプラズマの密度分布がプラズマ生成領域で均
一であることが要求される。プラズマの密度分布の不均
一は，マイクロ波を用いたプラズマ処理装置において
は，真空容器内に導入されたマイクロ波の電力密度分布
の不均一が主な原因となる。真空容器内に導入されたマ
イクロ波はプラズマ中を伝播してプラズマ生成領域に到
達する。マイクロ波はプラズマの電子密度分布の影響を
受けて電力密度の大きさや分布が変化し，マイクロ波の
電力密度の変化はプラズマの電子密度分布を変化させ
る。このようにマイクロ波とプラズマとは相互に影響を
与えながら変化するので，プラズマ生成領域でのマイク
ロ波によるプラズマの生成効率は複雑に変化し，不安定
且つ不均一な密度分布のプラズマを発生させる問題があ
った。又，半導体集積回路等の製造プロセスにおいて，
生産性を向上させるべく半導体ウェハー等の被処理物を
大型化し，これを処理できるだけの大面積プラズマを発
生させ得るプラズマ処理装置が望まれている。これを実
現させるべく，上記従来構成になるＥＣＲプラズマ処理
装置１５で大面積のプラズマを発生させるためには，発
生させるプラズマ密度に大きく関与するマイクロ波の導
入が，広範囲のプラズマ生成領域に均一な電力密度で供
給されることが必要となる。そのため，真空容器１内に
マイクロ波を導入するホーンアンテナ９の開口径を大き
くして，広範囲にマイクロ波が導入されるように構成す
ることが考えられる。しかしながら，マイクロ波を伝送
する導波管路１４及び円偏波変換器８の口径は一定であ
るため，ホーンアンテナ９の口径を大きくするために
は，管長を長く形成することが必要となる。これは装置
全体の体積の増大となり，制約の多いクリーンルーム内
に設置する場合に支障をきたすことになる。そこで，従
来構成における装置全体の体積増加の原因となるホーン
アンテナ９を無くして，円偏波変換器８を直接，真空容
器１に接続する構成が考えられる。しかし，真空容器１
にマイクロ波を導入する口径が小さくなるため，所望の
プラズマ面積に均一な電力密度分布でマイクロ波を供給
させるためには，マイクロ波導入窓２から放射されたマ
イクロ波が真空容器１の側壁を境界条件とする変化で所
要の広がりを得るだけの伝播距離を与える必要がある。
従って，マイクロ波導入口からプラズマ生成領域までの
距離が充分とれるだけの真空容器１の容積の増加が条件
となる。従来構成において用いられるマイクロ波は２．
４５ＧＨｚであり，この波長は約１２０mmであるため，
必要な面積に均一な電力密度分布を得るための距離は約
３００mmとなる。この構成では真空容器１の高さが増加
して，ホーンアンテナ９を無くして装置全体の高さを減
少させた意味がなく，体積の減少の目的は達成されな
い。そこで，本発明の目的とするところは，装置を大型
化させることなく均一な密度分布を有するプラズマを大
面積で安定して発生させるプラズマ処理装置を提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が採用する手段は，真空容器に設けられたマイ
クロ波導入窓から上記真空容器内にマイクロ波を導入
し，該真空容器内に導入された処理ガスを上記マイクロ
波を用いてプラズマ化し，該プラズマにより真空容器内
に配置された被処理物をプラズマ処理するプラズマ処理
装置において，上記マイクロ波導入窓と真空容器内のプ
ラズマ生成領域との間に，真空中の屈折率よりも大きい
屈折率を有する誘電体を充填させたことを特徴とするプ
ラズマ処理装置として構成される。

【０００５】

【作用】本発明によれば，上記マイクロ波導入窓からプ
ラズマ生成領域までの間に真空中の屈折率より大きい屈
折率を有する誘電体が充填されるので，所定開口径で導
入されたマイクロ波が所要面積のプラズマ生成領域に均
一な電力密度で伝播する距離は，上記誘電体の屈折率に
対応して小さくすることができる。従って，同一面積の
プラズマ生成領域を形成させるために必要な真空容器の
容積を小さく構成することが可能となる。又，マイクロ
波は上記誘電体中を伝播してプラズマ生成領域に到達す
るので，プラズマの影響を受けることがなく，均一な電
力密度分布が安定して得られる。

【０００６】

【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発明
の技術的範囲を限定するものではない。本実施例は，マ
イクロ波を用いたプラズマ処理装置の例として，マイク
ロ波に磁場の作用を併用するＥＣＲプラズマ処理装置を
構成した実施例について説明する。本実施例装置は，従
来例に示したＥＣＲプラズマ処理装置１５を小型化する
と共に，広い面積に均一なプラズマ密度分布が安定して
得られる構成に改良したものである。ここに，図１は本
発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式
図，図２は従来構成と実施例構成とのマイクロ波の伝播
方法の異なりを同一条件で比較するための構成を示す模
式図，図３は図２に示す各構成におけるイオン飽和電流
の分布の差を示す測定グラフである。図１において，本
実施例に係るプラズマ処理装置２０は，筒状に形成され
た真空容器２１と同軸に磁気コイル２９ａ，２９ｂを配
置して真空容器２１内に磁場を印加させると共に，マイ
クロ波導入窓２２から真空容器２１内にマイクロ波を導
入し，処理ガス導入ポート２３から導入された処理ガス
をプラズマ化できるよう構成されている。上記磁気コイ
ル２９ａ，２９ｂによる磁場と，マイクロ波による高周
波電界と，処理ガス中の電子との３要素によって引き起
こされる電子サイクロトロン共鳴によって，導入された
処理ガスがプラズマ化される。真空容器２１内のプラズ
マ生成領域２６に発生したプラズマにより生成されたイ
オン，ラジカルによって，真空容器２１の所定位置に配
置した被処理物２８をプラズマ処理することができる。

【０００７】上記構成において，真空容器２１内に導入
するマイクロ波は，マイクロ波電源３０から導波管路２
４を伝送され，円偏波変換器２５からマイクロ波導入窓
２２を通して導入される。上記マイクロ波導入窓２２
と，上記プラズマ生成領域２６との間には石英によって
形成された誘電体２７が充填されており，マイクロ波は
上記誘電体２７中を伝播してプラズマ生成領域に到達す
る。誘電体２７を構成する石英は，その屈折率が真空中
の屈折率より大きいため，誘電体の屈折率に反比例して
伝播するマイクロ波の波長は短くなるので，真空容器２
１内に導入されたマイクロ波が所要の広がりで均一な電
力密度を形成する伝播距離が短くなる。従って，マイク
ロ波導入窓２２とプラズマ生成領域２６までの距離が短
いにもかかわらず，プラズマ生成領域２６に均一な電力
密度分布でマイクロ波が供給される。又，マイクロ波は
マイクロ波導入窓２２から誘電体２７内を伝播してプラ
ズマ生成領域２６に到達するので，真空容器２１内のプ
ラズマの影響を受けることがなく，マイクロ波とプラズ
マとが相互に影響しあうことによるマイクロ波の電力密
度分布の乱れ，これに伴うプラズマの電子密度分布の乱
れがなく，安定したプラズマ生成をなすことができる。
従来構成では，プラズマ生成領域の面積に均一な電力密
度分布でマイクロ波を伝播させるために，ホーンアンテ
ナを用いてマイクロ波の伝播距離を与えていた。そのた
めにホーンアンテナが必要とする長さ分の装置全体の体
積の増加があり，これを解消すべくホーンアンテナを無
くした構成にすると，マイクロ波の伝播距離を真空容器
内に確保することが必要となり，真空容器の体積が増加
してしまう。装置全体の体積増加を抑えて，プラズマ処
理できる面積をより大きくすることができない実情があ
った。

【０００８】本実施例構成では，上記のように真空容器
２１内のマイクロ波伝播経路に誘電体２７を充填するこ
とによって，従来構成の課題が解消される。上記実施例
構成におけるマイクロ波を誘電体２７中に伝播させるこ
との効果を，図２に示す真空中の伝播と誘電体中の伝播
とを同一条件で比較するための構成によって説明する。
図２（ａ）に示す従来構成のように真空中を伝播させた
場合と，図２（ｂ）に示すように誘電体３６（実施例構
成における誘電体２７に相当する）中を伝播させた場合
とを比較して，マイクロ波がプラズマ生成領域に伝播す
る空間の異なりの差によって生じるプラズマの密度分布
の差を比較する。図３に示すグラフは，それぞれの反応
室３１又は３２（真空容器１又は２１に相当する）内に
マイクロ波を口径１００mmの導入口３８又は３９から導
入したとき，プラズマ生成領域に発生するプラズマ３４
ａ又は３５ａのイオン飽和電流の反応室中心から水平方
向の分布を測定したものである。尚，イオン飽和電流
は，前述したようにプラズマの密度を反映する量であ
る。図３に示されるように，破線で示す真空中を伝播さ
せる構成（ａ）でのイオン飽和電流は，中心部でプラズ
マ密度が高くなっている。これは導入されたマイクロ波
が充分な伝播距離を得られないままプラズマ生成領域に
到達していることを示している。従って，図２（ａ）に
示すように，プラズマ３４はプラズマ生成領域の中心部
で高密度部分３４ａが生じて，大きな面積の被処理物３
７を処理するに必要なプラズマ生成領域での均一なプラ
ズマ密度分布が得られないことになる。

【０００９】一方，実線で示される誘電体中を伝播させ
る構成（ｂ）では，ほぼ平均化されたイオン飽和電流の
分布がなされている。マイクロ波を誘電体中に伝播させ
ることにより充分な伝播距離が与えられ結果，マイクロ
波が反応室３２の側壁を境界条件とした安定で均一な電
力密度分布を形成した後にプラズマ生成領域に到達して
いることを示している。この状態を図２（ｂ）で示す
と，図示するようにプラズマ生成領域でのプラズマ密度
分布は高密度部分３５ａが大きな被処理物３７を処理す
るに必要な大きさで均一に分布していることになる。従
って，実施例構成のように真空容器２１に導入されたマ
イクロ波を誘電体２７中を伝播させてプラズマ生成領域
２６に供給すると，伝播方向の距離を大きくすることな
くマイクロ波の電力密度分布が均一化された領域が広く
得られるので，真空容器２１の高さを変えることなく大
きな面積のプラズマ生成領域２６を形成させることがで
きる。又，マイクロ波をプラズマ中に伝播させることに
よって生じるプラズマ密度の不安定さがなくなる。上記
誘電体２７として使用できる材料として，実施例構成で
は石英を使用したが，他に屈折率が真空中の屈折率より
大きい，即ち，比誘電率が１より大きいものが使用でき
る。但し，誘電体２７はプラズマにその表面が曝される
ため，半導体集積回路等を製造するためのプラズマ処理
装置に供するには，重金属，アルカリ等を含まない物質
が適当である。このような観点からいえば，石英，セラ
ミックなどが適した物質といえる。尚，上記実施例で
は，マイクロ波を用いたプラズマ処理装置としてＥＣＲ
プラズマ処理装置について説明したが，上記説明によっ
ても明らかなように，マイクロ波のみを用いたマイクロ
波プラズマ処理装置においても同様の効果を発揮させる
ことができる。

【００１０】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，真空
容器内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入窓から真
空容器内のプラズマ生成領域までの間に，真空中の屈折
率より大きい屈折率を有する誘電体が充填されたプラズ
マ処理装置が構成される。所定開口径で導入されたマイ
クロ波が所要面積のプラズマ生成領域に均一な電力密度
で伝播する距離は，上記誘電体の屈折率に対応して小さ
くすることができるので，同一面積のプラズマ生成領域
を形成させるために必要な真空容器の容積を小さく構成
することが可能となる。又，マイクロ波は上記誘電体中
を伝播してプラズマ生成領域に到達するので，プラズマ
の影響を受けることがなく，均一な電力密度分布が安定
して得られる。従って，装置全体の体積を大きくするこ
となく，より大きな面積で均一な密度分布のプラズマを
発生させることが可能となり，被処理物の大型化に対応
して高品質の処理ができるプラズマ処理装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構
成を示す模式図。

【図２】 従来構成と実施例構成とのマイクロ波の伝播
方法の異なりを同一条件で比較するための構成を示す模
式図。

【図３】 図２に示す各構成におけるイオン飽和電流の
分布の差を示す測定グラフ。

【図４】 従来例に係るプラズマ処理装置の構成を示す
模式図。

【符号の説明】

２０…プラズマ処理装置 ２１…真空容器 ２２…マイクロ波導入窓 ２３…処理ガス導入ポート ２６…プラズマ生成領域 ２７…誘電体 ２８…被処理物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/3065

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器に設けられたマイクロ波導入窓
   から上記真空容器内にマイクロ波を導入し，該真空容器
   内に導入された処理ガスを上記マイクロ波を用いてプラ
   ズマ化し，該プラズマにより真空容器内に配置された被
   処理物をプラズマ処理するプラズマ処理装置において，
   上記マイクロ波導入窓と真空容器内のプラズマ生成領域
   との間に真空中の屈折率よりも大きい屈折率を有する誘
   電体を充填させたことを特徴とするプラズマ処理装置。