JPH08203881A

JPH08203881A - 表面処理装置

Info

Publication number: JPH08203881A
Application number: JP7033050A
Authority: JP
Inventors: Kojin Nakagawa; 行人中川
Original assignee: ANERUBA KK
Current assignee: ANERUBA KK
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】表面処理装置において、高密度プラズマ発生
時の信頼性を高め、低圧力で高密度のプラズマを大面積
にわたって均一に発生させることができるプラズマ生成
用平面状電極を提案する。【構成】真空容器11と、この真空容器内を減圧状態に
する排気機構15と、真空容器内に放電用ガスを導入する
ガス導入機構と、ガスを放電させプラズマを発生させる
ためマイクロ波による電力を供給する電力供給機構20,4
7 と、真空容器内に設置される基板保持機構を備える表
面処理装置であり、上記の電力供給機構は、誘電体44が
充填された孔（スロット部43）を有する導電性板で形成
されかつ真空容器内を真空封止するように真空容器に固
定される平面状電極42を備え、導電性の板のスロット部
を通して、電力供給機構の同軸管47で供給されるマイク
ロ波が真空容器内に放射されるように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面処理装置に関し、特
に、高周波放電で生成されるプラズマを利用して被処理
基板の表面処理を行うもので、半導体デバイス製造工程
においてドライエッチングまたはプラズマＣＶＤに利用
される表面処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス作製の１つの工程である
ドライエッチングに利用される表面処理装置の例を説明
する。半導体デバイス作製に不可欠の配線パターン形成
工程で、実際にパターン形成を行うには、放電によって
ハロゲンを含むガスを主成分とした混合ガスのプラズマ
を発生させ、プラズマ中の各種活性種（例えば原子状塩
素、原子状フッ素、フッ素炭素化合物など）を表面の薄
膜と反応させ、薄膜を除去するドライエッチング技術が
一般的に用いられる。ガスをプラズマ化させる手段とし
て、供給されたマイクロ波による電場と磁場の相互作用
（電子サイクロトロン共鳴）を利用してプラズマを発生
させる方法が知られている。この方法を利用した装置は
一般にＥＣＲ表面処理装置と呼ばれ、磁場を発生させる
ための機構として空芯コイルを利用した装置が、ドライ
エッチング、プラズマＣＶＤ等に広く応用されている。
また最近では、ＥＣＲプラズマ利用表面反応装置の改良
型である平面型ＥＣＲ表面処理装置も知られている（例
えば特開平5-182785号公報）。

【０００３】図５に従来の平面型ＥＣＲ表面処理装置の
一例を示し、図６に平面型ＥＣＲ表面処理装置における
磁場と電場の関係を示す。

【０００４】真空容器１１は、上側の部分をフランジ１
２で真空封止され、基板保持機構を含む電極１３を内部
空間に備える。電極１３の上には被処理基板１４が配置
される。真空容器１１の内部は排気機構１５によって所
要レベルまで減圧される。電極１３には電源１６によっ
てバイアス用の電力が供給される。真空容器１１内の上
側にはその内部空間にマイクロ波による電力を放射する
ための平面状電極１７が設けられ、平面状電極１７には
マイクロ波放射用のアンテナとして動作するスロット
（貫通孔）１８が加工されている。スロット１８の形成
位置および形状はマイクロ波放射に適するように任意に
選択される。平面状電極１７の近傍にはその周囲に磁場
を発生させるための複数のリング状永久磁石１９が配置
される。この例では、永久磁石１９はフランジ１２に形
成された磁石固定用のリング状溝の中に固定されてい
る。また平面状電極１７に対しマイクロ波を供給する機
構として、マイクロ波電源２０、外部導体２１および内
部導体２２からなる同軸管２３、同軸型マイクロ波導入
用真空窓２４が設けられる。また説明の簡単化のため図
示を省略したが、マイクロ波電源２０と平面状電極１７
の間のマイクロ波回路を構成する素子として、導波管、
整合器、単行管、方向性結合器、同軸導波管変換器等が
必要に応じて設けられる。

【０００５】上記の平面型ＥＣＲ表面処理装置では、図
示しないガス導入系を用いて真空容器１１内に所定ガス
を所定圧力まで導入した後に、マイクロ波による電力を
真空容器１１内に導入し、電場と磁場との相互作用を利
用してガスをプラズマ化しプラズマ２５を生成する。こ
のプラズマ２５内の化学的活性の高い各種粒子は被処理
基板１４の表面に導かれ、基板表面における化学反応を
利用して表面をエッチングする。通常、活性の高い粒子
の一つである正イオンにエネルギを与えて被処理基板１
４の表面に導くため、電源１６を用いて電極１３に例え
ば高周波のバイアス電力が供給される。

【０００６】次に図６を参照して磁場とマイクロ波によ
る電場の作用関係を説明する。図６にはリング状永久磁
石１９により発生する磁力線３１と、平面状電極１７に
形成されたスロット１８から生成されるマイクロ波の電
場３２を示す。この例では、真空容器１１内の磁場強度
はスロット１８の近傍でもっとも強く、真空容器１１の
内部に向うほど徐々に減少する。プラズマ生成に利用さ
れるマイクロ波の周波数は一般的には２．４５ＧＨｚが
利用され、このときのＥＣＲ条件を満足する磁束密度は
８７５ガウスである。従ってリング状永久磁石１９によ
り発生する磁束密度がスロット１８からやや離れた位置
（具体的には数ｍｍから数ｃｍの位置）にＥＣＲ条件を
満足する８７５ガウスの等磁束密度面を生成するよう
に、リング状永久磁石１９の残留磁束密度を決定する。
図６の例では、スロット１８からＥＣＲ面に至るプラズ
マ２５中のマイクロ波の伝搬経路で、磁場強度が、ＥＣ
Ｒ面に向かって次第に減少する構造を有する。また真空
容器１１内のスロット１８の近傍におけるマイクロ波の
電場３２は磁場３１とほぼ直交する。以上の２つの条件
は、マイクロ波をＥＣＲ面まで伝搬させて高密度のプラ
ズマ２５を発生させるために必要不可欠な条件である。

【０００７】上記の従来の平面型ＥＣＲ表面処理装置
は、現在ではすでにプラズマ源としての評価が広く行わ
れており、表面処理装置としての評価も広まりつつあ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ＥＣＲ表面処理装置の
最大の特徴は、磁場とマイクロ波の共鳴現象を利用する
ことによって、低いガス圧力で高い密度のプラズマを発
生できる点にある。しかし、通常利用されるマイクロ波
の周波数である２．４５ＧＨｚに対して共鳴条件を満足
させるための磁場強度としては８７５ガウスが要求され
る。一方、半導体製造に利用されるシリコンウェハーは
直径２５０ｍｍ程度のものが利用され、これを処理する
ためのプラズマもウェハー面積にわたって均一であるこ
とが要求される。

【０００９】図５に示した平面型ＥＣＲ表面処理装置で
は、複数のリング状永久磁石を使用することにより、一
般的な空芯コイルにより磁場を発生させる形式の従来装
置に伴う欠点を克服することができ、スロットの利用に
よる大面積均一プラズマの発生、永久磁石の採用による
磁場発生機構の簡便化、磁場がウェハー表面を横切らな
いことによる高周波電力バイアスの均一化等の効果が達
成される。

【００１０】しかしながら、上記平面型ＥＣＲ表面処理
装置は、マイクロ波の導入のための機構が複雑であり、
特に同軸型真空窓２４の信頼性が不十分であるために、
供給できるマイクロ波電力が制限され、高密度プラズマ
の発生が困難であるという問題を有している。また、マ
イクロ波電力を大きくした際にはスロット１８の周辺で
異常な放電が発生するおそれもあり、装置としての信頼
性の欠如から、現在のところ半導体製造ラインに導入さ
れるには至っていない。

【００１１】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、新規な構造を有するプラズマ生成用平面状電
極を提案し、高密度プラズマ発生時の信頼性を高め、低
圧力で高密度のプラズマを大面積にわたって均一に発生
させることができる表面処理装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】第１の本発明
に係る表面処理装置は、真空容器と、この真空容器内を
減圧状態にする排気機構と、真空容器内に放電用ガスを
導入するガス導入機構と、ガスを放電させプラズマを発
生させるためマイクロ波による電力を供給する電力供給
機構と、真空容器内に設置される基板保持機構を備える
表面処理装置であり、上記の電力供給機構は、誘電体が
充填された孔を有する導電性板で形成されかつ真空容器
内を真空封止するように真空容器に固定される平面状電
極を備え、導電性板の孔を通して、電力供給機構の同軸
管で供給されるマイクロ波が真空容器内に放射されるよ
うに構成される。

【００１３】第１の本発明では、マイクロ波導入に使用
される従来の同軸管と真空窓を用いず、誘電体が充填さ
れた孔（スロット部）を平面状電極に形成し、同軸管を
用いてこの平面状電極にマイクロ波を直接に供給し、当
該孔からのマイクロ波の放射によって、均一性の良好な
高密度プラズマを容易に発生する。平面状電極における
マイクロ波の放射を行うスロット部としては誘電体が充
填された孔がもっとも実用的である。またマイクロ波の
電力を真空容器内に供給するための平面状電極の孔に誘
電体を充填することによって、スロット部そのものを真
空封止に耐える構造とし、従来、マイクロ波電力を供給
するために必要であったが、信頼性に乏しかった同軸型
真空窓を排除することが可能なった。

【００１４】第２の本発明は、第１の発明において、平
面状電極に形成された孔は導電性板上の一点を中心とす
る放射状位置に複数個配置され、かつ放射状位置の中心
近傍にマイクロ波が供給されることを特徴とする。

【００１５】第３の本発明は、第１の発明において、平
面状電極の孔は１つの円上または複数の同心円上の弧と
して形成され、かつ円または複数の同心円の中心近傍に
マイクロ波が供給されることを特徴とする。

【００１６】第２および第３の本発明では、スロット部
を形成する孔は、好ましくはリング状の放射状位置に配
置されており、マイクロ波による電力が有効に真空容器
内に放射され、プラズマを放電空間内に生成せしめ、こ
れを利用することを可能とした。

【００１７】第４の本発明は、第１から第３の発明にお
いて、平面状電極を形成する導電性板で孔と干渉しない
位置に複数個のリング状永久磁石を設置し、孔の近傍に
磁場を発生したことを特徴とする。

【００１８】第５の本発明は、第４の発明において、複
数のリング状永久磁石の着磁方向はリング状永久磁石の
半径方向であり、かつ隣り合うリング状永久磁石の着磁
方向が互いに逆方向であることを特徴とする。

【００１９】第４および第５の本発明では、平面状電極
に直接に磁場生成用リング状永久磁石を設け、またこの
リング状永久磁石の着磁方向を半径方向とすることでマ
イクロ波による電場に永久磁石による磁場を直交させ、
当該磁場とマイクロ波による電場との相互作用を有効を
生じさせるようにしている。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明の好適実施例を添付図面に基
づいて説明する。

【００２１】図１において、図５で説明した要素と実質
的に同一の要素には同一の符号を付している。真空容器
１１の内部は放電空間として利用され、この内部に被処
理基板１４が配置された電極１３が配置される。電極１
３は絶縁物４１を用いて浮遊電位状態で真空容器１１の
下壁に取り付けられている。電極１３は基板保持機構給
される。真空容器１１の上壁部分には平面状電極４２が
設けられる。本実施例による平面状電極４２は、真空容
器１１の内部空間を真空に保つための機能も兼ねる。従
って、本実施例による装置では従来装置のフランジ１２
に相当する部材は使用されず、平面状電極４２そのもの
がフランジ１２を兼ねている。電極１３上に設置された
被処理基板１４は、真空容器１１の平面状電極４２に対
向するように配置される。本実施例による装置を放電反
応装置として動作させるには、排を含むと共に、電源１
６に接続され、バイアス用の電力が供気機構１５を用い
て真空容器１１を所定圧力まで排気し、その後、図示し
ないガス導入機構を用いて放電反応に用いるガスを所定
圧力まで導入する。

【００２２】図１および図２を参照して平面状電極４２
の構造と作用について説明する。平面状電極４２にはマ
イクロ波放射用アンテナとして動作するスロット部４３
が形成される。平面状電極４２は金属板等の板状導電性
部材を用いて形成され、スロット部４３は、平面状電極
４２に貫通して形成された孔とこの孔に密に充填された
誘電体４４とから形成される。スロット部４３は実際に
は孔そのものではないが、従来装置のスロット１８と実
質的に同じ作用、すなわちマイクロ波を通過させ真空容
器内へ放射作用を有するので「スロット部」と呼ぶこと
とする。平面状電極４２は真空容器１１の上壁として内
部空間が気密になるように真空容器１１の上部に取り付
けられ、かつスロット部４３には誘電体４４が充填され
ているので、平面状電極４２そのものによって真空容器
１１の内部空間の真空封止を可能としている。

【００２３】スロット部４３内に充填される誘電体４４
に要求される条件として、誘電損失が小さいこと、気密
性が良好であること、或る程度の耐熱性を有することが
挙げられる。気密性に関しては、平面状電極４２を形成
する導電性板と真空容器１１の壁部の密着性が良好であ
ることが必要がある。このような条件を満足する材料と
して、ガラス、石英、アルミナセラミックス等の無機材
料、テフロン、ポリイミド、シリコン樹脂等の有機材料
があり、表面処理のプロセスに使用するガス種、使用す
るマイクロ波電力等の条件に合わせて適宜に選択され
る。

【００２４】また図１と図２に示されるように、平面状
電極４２の外面には、磁場を発生させるための複数個の
リング状永久磁石４５が配置される。本実施例では互い
に径が異なる４個のリング状永久磁石４５を同心円的に
配置することにより磁気回路を構成している。リング状
永久磁石４５は、平面状電極４２の外面に形成されたリ
ング状の溝に埋め込まれている。リング状永久磁石４５
は、すべて半径方向に着磁され、かつ隣り合う永久磁石
が互いに逆方向になるように着磁される。

【００２５】図２に示すように平面状電極４２は円形の
形状を有する。上記スロット部４３は、複数形成され、
平面状電極４２の例えば中心などの一点から放射状の位
置に形成されることが望ましい。本実施例の場合、例え
ば４本のスロット部４３が、例えば内側から２番目の永
久磁石４５と３番目の永久磁石４５との間のスペースに
て中心点から見て放射状の位置に形成される。４本のス
ロット部４３は、リング形状の上に配置されるので、そ
れぞれは弧形状を有している。またスロット部４３は、
他のリング状永久磁石の間に形成することもでき、スロ
ット部を同心円な位置に配置させることも可能である。
さらに本実施例では、リング状永久磁石４５を４個使用
した例を示したが、応用の目的によっては、異なる数の
方が優れた性能を有する場合もある。また着磁方向は、
各永久磁石４５について逆方向としても、動作は全く同
じである。

【００２６】平面状電極４２は、その構造、形態および
材質上、大気圧と真空との圧力差に対して実用上変形し
ない強度を有するものとする。一方、スロット部４３の
内部の誘電体４４を通してマイクロ波を伝搬させる必要
上から、平面状電極４２の厚みはできる限り薄い方が望
ましい。これらの２つの条件の兼ね合いによって、平面
状電極４２の厚みが決定される。本実施例に示すよう
に、スロット部４３はリング状のものを複数部分（本実
施例では４本）に分割して橋渡し部分４６を設けること
により、スロット部４３の機械的強度を補って平面状電
極４２を薄くすることが実用上有効である。橋渡し部分
４６の幅が、放電に用いるマイクロ波の波長と比較して
十分に短かく、かつ分割されたスロット部４３の長さが
マイクロ波の波長の４分の１と同程度以上であるなら
ば、橋渡し部分４６の長さおよび分割の個数に関して特
に制約は存在しない。

【００２７】次に、本実施例によるマイクロ波の電力の
供給の構造、およびプラズマの発生方法について説明す
る。マイクロ波電源２０から、外部導体２１と内部導体
２２からなる同軸管２３を通じて、平面状電極４２に対
してマイクロ波電力が供給されると、平面状電極４２に
設置されたスロット部４３の誘電体４４を通して、真空
容器１１の内部にマイクロ波による電力が放射される。
このマイクロ波電力は、真空容器１１内に導入されてい
るガスに吸収され、真空容器１１内にプラズマ２５が発
生する。このプラズマ２５の持つ作用を利用して、被処
理基板１４の表面に所定の表面処理を施す。このとき、
複数のリング状永久磁石４５から発生する磁場の強度
を、供給されるマイクロ波の周波数に対する電子サイク
ロトロン共鳴の条件が真空容器１１内におけるスロット
部４３の近傍空間で満たすように設定すれば、プラズマ
２５の発生効率を非常に高いものとすることができる。

【００２８】マイクロ波導入部の構造に関して説明す
る。表面処理装置において利用するマイクロ波の電力
は、通常１０Ｗから数ｋＷの範囲にある。このような電
力を伝搬させるための同軸管４７としては、外部導体４
８の内径が２０ｍｍまたは３９ｍｍに規格化されたもの
を利用するのが一般的である。一方、スロット部４３の
直径に関しては、目的とするプロセスに応じて異なる
が、通常は被処理基板１４の直径と同程度もしくは若干
小さい程度の直径が必要とされる。被処理基板１４の直
径は１５０ｍｍから３００ｍｍの範囲に大部分のものが
含まれるため、スロット部４３と同軸管４７とは直接的
に接続することはできない。従って、本実施例では、外
部導体４８および内部導体４９の放電用平面状電極４２
と接続する部分４７ａをテーパ状とした同軸管４７によ
り構成している。これによって、インピーダンス不整合
による電力利用効率の悪化を防止している。

【００２９】図３を用いて磁場とマイクロ波による電場
との作用を説明する。図３では、リング状永久磁石４５
により発生する磁力線（磁場）５０、平面状電極４２に
設けられたスロット部４３により発生するマイクロ波の
電場５１が示される。スロット部４３からＥＣＲ面に至
るプラズマ５２中のマイクロ波の伝搬経路で、磁場強度
がＥＣＲ面に向かって次第に減少する構造を有する。ま
たマイクロ波による電場５１は、ほぼ全体にわたって磁
力線５０と直交する。以上の２つの条件は、従来の技術
の項ですでに述べた通り、マイクロ波をＥＣＲ面まで伝
搬させて高密度のプラズマを発生させるためには必要不
可欠なものである。本実施例においても、複数のリング
状永久磁石４５の着磁方向を半径方向とし、かつ隣り合
うリング状永久磁石４５の着磁方向を互いに逆方向とす
ることにより、図３と図６の比較から明らかなように、
従来の平面型ＥＣＲ表面処理装置と同様の磁場と電場の
相互作用が可能となり、ＥＣＲの利点を生かしたプラズ
マの生成が可能である。

【００３０】図４は本発明に係る表面処理装置の第２の
実施例を示す。この実施例では、スロット部４３は平面
状電極４２の内部にて半径方向にクランク状に形成され
ており、第１の実施例と同様に誘電体４４が充填されて
いる。スロット部４３の位置は、大気側の電極面におい
ては内側から２番面と３番目の２つのリング状永久磁石
５３の間とし、真空側の電極面においては２番面のリン
グ状永久磁石５３の磁石幅の中心位置と合わせることが
望ましい。このスロット部４３内に充填する誘電体４４
の材質は、第１の実施例と同様に選択される。また本実
施例では、複数のリング状永久磁石５３の着磁方向は、
従来装置の場合と同様にリング形状の軸方向とする。こ
れは、本実施例においては磁場とマイクロ波電場との配
置関係が、図６に示した従来装置の場合と同様になるか
らである。

【００３１】上記の各実施例では、リング状永久磁石４
５，５３を平面状電極４２に組み込むようにしたが、平
面上電極４２の外側に配置することもできる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、平面型ＥＣＲ表面処理装置において、平面状電極
の構造およびリング状永久磁石の着磁方向に工夫するこ
とによって、信頼性低い従来のマイクロ波導入用真空窓
を排除し、スロット内部での不要放電の発生をなくした
ため、平面型ＥＣＲ表面処理装置において安定して効率
よく高密度プラズマを発生させ、かつ被処理基板に表面
処理の均一性を良好に保つことができ、実用性を高め
た。特に、本発明によれば、プラズマプロセス装置であ
るドライエッチング装置、ＣＶＤ装置等の表面処理装置
において、各種の高速かつ均一な大面積処理が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る表面処理装置の第１実施例を示す
断面図である。

【図２】平面状電極の構造を説明するための平面図であ
る。

【図３】第１実施例における磁場とマイクロ波による電
場との作用関係を説明するための断面図である。

【図４】本発明に係る表面処理装置の第２実施例を示す
断面図である。

【図５】従来の平面型ＥＣＲ表面処理装置を示す断面図
である。

【図６】従来の平面型ＥＣＲ表面処理装置における磁場
とマイクロ波による電場との作用関係を説明するための
断面図である。

【符号の説明】

１１真空容器１３電極１４被処理基板１５排気機構４２平面状電極４３スロット部４４誘電体４５，５３リング状永久磁石４７同軸管４８外部導体４９内部導体５０磁力線（磁場）５１電場５２プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── 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Ｃ３０Ｂ 33/12 7202−4ＧＨ０１Ｌ 21/205 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｃ 9216−2Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器内を減圧状態
にする排気機構と、前記真空容器内に放電用ガスを導入
するガス導入機構と、前記ガスを放電させプラズマを発
生させるためマイクロ波による電力を供給する電力供給
機構と、前記真空容器内に設置される基板保持機構を備
える表面処理装置において、前記電力供給機構は、誘電体が充填された孔を有する導
電性板で形成されかつ前記真空容器内を真空封止するよ
うに前記真空容器に固定される平面状電極を備え、前記
孔を通して、前記電力供給機構の同軸管で供給される前
記マイクロ波が前記真空容器内に放射されること特徴と
する表面処理装置。
【請求項２】前記平面状電極に形成された前記孔は前
記導電性板上の一点を中心とする放射状位置に複数個配
置され、かつ前記放射状位置の中心近傍に前記マイクロ
波が供給されることを特徴とする請求項１記載の表面処
理装置。
【請求項３】前記平面状電極の前記孔は１つの円上ま
たは複数の同心円上の弧として形成され、かつ前記円ま
たは前記複数の同心円の中心近傍にマイクロ波が供給さ
れることを特徴とする請求項１記載の表面処理装置。
【請求項４】前記平面状電極を形成する前記導電性板
で前記孔と干渉しない位置に複数個のリング状永久磁石
を設置し、前記孔の近傍に磁場を発生したことを特徴と
する請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理装
置。
【請求項５】前記複数のリング状永久磁石の着磁方向
はリング状永久磁石の半径方向であり、かつ隣り合うリ
ング状永久磁石の着磁方向が互いに逆方向であることを
特徴とする請求項４記載の表面処理装置。