JPH0834129B2

JPH0834129B2 - マイクロ波プラズマ生成方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0834129B2
Application number: JP62015861A
Authority: JP
Inventors: 猛小林; 定喜多; 眞人杉生; 道夫谷口; 勇二石田
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1987-01-26
Filing date: 1987-01-26
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPS63184300A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、半導体プラズマプロセスに用いるマイクロ
波プラズマ生成方法及びその装置に関するものである。

［従来の技術］マイクロ波プラズマは、完全に無電極放電であるため
に汚染が少ないので、半導体プラズマプロセスに欠かせ
ない重要なものとして、以前から注目されてきた。さら
に、マイクロ波プラズマは周波数が高いので、プラズマ
イオンを加速する割合が非常に小さく、イオンの運動エ
ネルギーの上昇を抑制することができるために、半導体
結晶基板表面のイオンダメージを受けないという優れた
特徴を有している。したがって、マイクロ波プラズマ
は、半導体製造、表面改質、薄膜形成等に広く応用され
ている。

このようなマイクロ波プラズマ生成装置の従来の構成
を第６図に示す。同図は、とくに利用度の大きい有磁場
マイクロ波プラズマ生成装置を示し、同図において、１
は2.45GHZのマイクロ波発振源である。２は反射電力を
吸収するアイソレータ、３は送信電力及び反射電力を測
定するパワーモニタ、４はマイクロ波発振源側インピー
ダンスとプラズマ放電部側のインピーダンスとを整合す
るチューナー、５は方形導波管、６はコーナーであっ
て、これら２乃至６は導波経路10を構成する。方形導波
管５は、2.45GHZのマイクロ波のモードTE10基本モード
を通過させるための導波管であって、例えばWRJ−2.6が
使用されている。11は放電チャンバ12を形成する円筒導
波管がTE11モードのマイクロ波が通過できるようにする
ためのテーパ接続変換器であり、12はプラズマ放電部Ｄ
を発生させる放電チャンバである。13はプラズマを有効
に貯え、かつ電子のサイクロトロン運動を利用したプラ
ズマとマイクロ波との有効な結合をするための磁場を発
生させる電磁石である。14は被加工半導体Ｗを加工する
プラズマ生成チャンバであり、放電チャンバ12のガス供
給口12aから供給された加工用ガスを排出するガス排出
口14aが設けられている。このガスとしては、デポジシ
ョンの場合はシラン、アルゴン等のガスが使用され、エ
ッチングの場合はCF₄等のガスが使用されている。

［発明が解決しようとする問題点］前述したマイクロ波プラズマ生成装置において、より
高い周波数のもとでは、より効果的なマイクロ波プラズ
マが得られる場合がある。これは、ガスの種類、プラズ
マ密度等の選定に依存しているが、その高い周波数のマ
イクロ波発振源として、例えば4.2GHZを使用する場合に
は、導波経路10の方形導波管５をWRJ−４に変更し、さ
らに放電チャンバ12を形成する円筒導波管をも4.2GHZの
基本モード用のものに変更しなければならなかった。す
なわち、従来のマイクロ波プラズマ生成装置は、導波管
と放電チャンバとのいずれもがマイクロ波の基本モード
に合せて設計されていた。そのために、使用するマイク
ロ波周波数を変更する毎に、マイクロ波発振源の取り換
えはもちろんのこと、導波経路10の全ての部品を取り換
える必要があり、結局、複数のシステムを準備しなけれ
ばならず、設備費及び設備場所を多く必要とする欠点が
あった。

さらに、従来装置のもう一つの欠点は、使用するマイ
クロ波の周波数が高くなるにつれて、波長が短くなり、
そのために、基本モードを伝搬する導波管、とくに放電
チャンバの形状が小さくなるために、プラズマ生成チャ
ンバ14内のプラズマ放電部Ｄが小さくなる。したがっ
て、プラズマを利用するCVDやエッチングにおいて、プ
ロセスしうる半導体結晶基板のサイズを微小せざるを得
なくなり、年毎に、拡大を続けるSiウエハサイズを考慮
したときに、プラズマ放電部Ｄの減少は、大きな問題で
あって、その解決が望まれていた。

［問題を解決するための手段］発明の目的本発明の目的は、一組のマイクロ波導波経路と放電チ
ャンバとを用いて、複数のマイクロ波発振源に共通に使
用できるマイクロ波プラズマ生成方法及びその装置を提
供することにより、設備費及び設置場所を節減し、かつ
被加工物の加工能力を向上することにある。

発明の構成本発明は、異なる周波数のマイクロ波発振源を用いて
プラズマ生成を行う装置において、マイクロ波発振源だ
けを取り換え、導波経路及び放電チャンバはそのまま共
通に使用する多用途のマイクロ波プラズマ生成方法及び
その装置を提供するものである。

このために、導波経路の方形導波管５及び放電チャン
バ12のサイズを、使用する複数のマイクロ波発振源のう
ちの最低周波数のマイクロ波の基本モードに合せて設計
しておき、最低周波数より高い周波数のマイクロ波発振
源を使用するときは、同一導波経路をそのまま用いて、
この高い周波数のマイクロ波の基本モードのみを伝搬
（以下、オーバーサイズ伝搬という。）させる方式を採
用している。

オーバーサイズ伝搬方式は、高次モードが励起されや
すくなるという問題点もあるが、本発明においては、最
低周波数より高い周波数のマイクロ波発振源21と導波経
路10との接続を、傾斜のゆるいテーパガイド22で結合す
ることにより、高次のモードの励起を防止している。む
しろ、本発明のオーバーサイズ伝搬方式を利用する装置
においては、後述する第５図に示すように、周波数が極
端に高くならない限り、かえって導波管の損失が減少す
る利点がある。このように、本発明の方法及びその装置
は、オーバーサイズ伝搬方式を採用することによって、
プラズマ生成装置のマイクロ波発振源１又は21以外の導
波経路10及び放電チャンバ12を共通に使用できるように
したものである。

［実施例］以下、第１図乃至第５図により、本発明のについて説
明する。

第１図は、本発明の方法を実施する装置の構成図であ
って、１は使用する２つの周波数のマイクロ波のうちの
低い方の周波数のマイクロ波を出力する第１のマイクロ
波発振源であって、例えば2.45GHZの300［Ｗ］のマグネ
トロンである。21は高い方の周波数のマイクロ波を出力
する第２のマイクロ波発振源であって、例えば4.2GHZの
300［Ｗ］のマグネトロンである。22はオーバーサイズ
発振源21に設けたテーパガイド、23はマイクロ波周波数
を切り換えるためのマイクロ波発振源切換器である。

２はアイソレータ、３はパワーモニタ、４はチューナ
ーであって、前述した従来装置と同様である。５は方形
導波管、６はコーナーであって、上記の2.45GHZの発振
源１と4.2GHZの発振源21とに共通使用するものであり、
本実施例においては、低い方の周波数2.45GHZに合せて
設計し、具体的には方形導波管WRJ−2.6（86.36×43.18
mm）を用い、高い方の周波数4.2GHZのマイクロ波に対し
てはオーバーサイズ伝搬をさせる。放電チャンバ12につ
いても、低い方の周波数2.45GHZに合せて設計し、具体
的には、内直径100mmの円筒導波管を用いる。11はコー
ナー６を形成する方形導波管と放電チャンバー12を形成
する円筒導波管とを接続し、方形導波管を伝搬してきた
TE10基本モードを、円筒導波管を伝搬するTE11基本モー
ドに変換するためのテーパ接続変換器である。12は放電
チャンバであって、円筒導波管で形成されたテーパ接続
変換器で変換されたTE11基本モードでマイクロ波が伝搬
し、プラズマ放電部Ｄを形成する。13は電磁石であっ
て、第６図において前述したようにプラズマ内に磁場を
印加する作用をしている。磁場の強さは、マイクロ波周
波数と電子サイクロトロン周波数とが略一致するように
選定する。マイクロ波周波数が2.45GHZの場合には、磁
場の強さが875ガウス程度になるように電磁石に流す電
流値を調整する。14は被加工半導体Ｗを収納するプラズ
マ生成チャンバであって、放電チャンバ12で発生したプ
ラズマ放電部Ｄが、このチャンバ内まで広がっている。
また、このチャンバ内には放電チャンバ12のガス供給口
12aから供給された加工用ガスを排出するガス排出口14a
を設けられている。

上記のマイクロ波発振源切換器23は、第１のマイクロ
波発振源１及び第２のマイクロ波発振源21に設けたテー
パガイド22と導波経路10のアイソレータ２との間に接続
されており、例えば第２図（Ａ）に示すような構造にな
っている。31は第１のマイクロ波発振源１に接続される
第１の入力コネクタ、32は第２のマイクロ波発振源21に
設けたテーパガイド22に接続される第２の入力コネク
タ、33は第１及び第２の入力コネクタを取付けるコネク
タ取付板、34は導波経路10のアイソレータ２に接続され
る出力コネクタ、35は出力コネクタを取付ける出力コネ
クタ取付板、36及び37は入力コネクタ取付板33と出力コ
ネクタ取付板35とを固定支持する第１及び第２の取付板
支持アーム、38は第１の入力コネクタ31又は第２の入力
コネクタ32と出力コネクタ34との間を切り換えて接続す
る導波管、39は第１の入力コネクタ31と第２の入力コネ
クタ32とのセンターに設けられて入力コネクタ取付板33
に対して回転自在の入力側回転軸である。40は一端が入
力側回転軸39に固定され、他端にハンドル41が取りつけ
られ、ハンドル取付側に導波管38の一端38aが取りつけ
られた回転アームであって、このアームをハンドル41に
よって入力側回転軸39をセンターにして回動させること
によって、導波管38の一端38aが、第２図（Ａ）に示す
第１のコネクタ31から、第２図（Ｂ）に示す第２のコネ
クタ32に接続される。42及び43は導波管38と第１のコネ
クタ31又は第２のコネクタ32とを接続して位置決め固定
を行う第１及び第２の位置決めボルトである。44は導波
管38の他端38bが固定され、ハンドル41の回動によっ
て、出力コネクタ取付板35に対して回転する出力側回転
軸である。

この装置において、マイクロ波発振源切換器23を例え
ば第２図（Ａ）に示す状態にして、従来装置と同様に低
い方の周波数2.45GHZのマイクロ波によりマイクロ波プ
ラズマを発生させ、被加工半導体Ｗを加工する。また、
マイクロ波発振源切換器23を例えば第２図（Ｂ）に示す
状態にして、高い方の周波数4.2GHZのマイクロ波を伝搬
させてもマイクロ波プラズマが得られ、被加工半導体Ｗ
を加工することができる。これは、サイズの大きな導波
経路10内を、高い方の周波数4.2GHZのマイクロ波が、低
い方の周波数2.45GHZのマイクロ波と同様に、TE10基本
モードを保ちながらオーバーサイズ伝搬したためであ
る。さらに、放電チャンバ12内でも同様に、高い方の周
波数4.2GHZのマイクロ波が、TE11モードのオーバーサイ
ズ伝搬をしている。ただし、第２のマイクロ波発振源21
を出射したマイクロ波を導波経路10に導くために、テー
パガイド22を用いていることが重要であり、これによっ
てTE10基本モードのオーバーサイズ伝搬を可能としてい
る。すなわち、テーパガイド22を使用することによっ
て、TE10基本モードのマイクロ波のみを伝搬させ、それ
よりも高次のTE20,TE30モードのマイクロ波を伝搬させ
ないようにするためである。

つぎに、電子の回転の周期とマイクロ波の周期（周波
数の逆数）とを一致、すなわち、電子のサイクロトロン
共鳴をさせるために、この周波数のマイクロ波プラズマ
に対して、磁場強度を1500ガウスに高める必要があり、
そのために電磁石13に流す電流を増加させている。

本実施例の利点は、マイクロ波発振源を除いたプラ
ズマ生成装置を複数の周波数のマイクロ波に対して共通
に使用でき、また高い方の周波数4.2GHZのマイクロ波
に対しても、プラズマ放電部Ｄを大きくできるので、大
面積の半導体ウエハを少ない回数で加工することがで
き、さらにオーバーサイズ伝搬方式を用いているの
で、低い方の周波数より高い方の周波数のマイクロ波に
対する導波管の電力損失を小さくすることができる。そ
の理由は、つぎのとおりである。第３図は、方形導波管
WRJ−2.6内を伝搬するTE10モードのマイクロ波の導波の
状態を示している。第３図（Ａ）に示す2.45GHZのマイ
クロ波伝搬の反射角度αにくらべて、第３図（Ｂ）に示
すように、4.2GHZのマイクロ波がオーバーサイズ伝搬す
る反射角度βの方が大きくなっているためである。方形
導波管５のWRJ−2.6内を伝搬するTE10モードの損失係数
は、 Rs〔１＋（fc/f）^２〕/8.14〔１−（fc/f）^２〕^0.5 で与えられる。ただし、カットオフ周波数fcは1.74GH
Z、導波管壁面抵抗Rsは（πｆμ₀/σ）^0.5（ただし、σ
は導電率）である。上式においてマイクロ波周波数ｆが
4.2GHZのときの方が2.45GHZのときよりも損失係数が小
さくなる。

つぎに、マイクロ波周波数ｆに対するTE10モードの損
失係数を第４図に示すが、オーバーサイズ電搬の４〜7G
HZ付近に損失係数の最低値が現われるので、本実施例で
は、この損失の少ない領域を使用している。第５図は、
放電チャンバ12を形成する円筒導波管のTE11モードの損
失係数を示している。同図において、円筒導波管の半径
αが8cm以下では、オーバーサイズ伝搬の4.2GHZのマイ
クロ波の損失の方が、2.45GHZのマイクロ波の損失より
小さくなるので、本実施例では、この領域を使用してい
る。

本実施例においては、マイクロ波発振源を２個用いた
が、３個以上でもよい。また、マイクロ波周波数を切り
換えるためには、マイクロ波発振源を取り換える必要が
あるが、マイクロ波発振源切換器を用いることなく、そ
れぞれテーパガイドを接続したマイクロ波発振源をその
都度導波経路に着脱してもよい。

［発明の効果］以上のように、本発明によれば、マイクロ波発振源を
除いたプラズマ生成装置を複数の周波数のマイクロ波に
対して共通に使用でき、また高い方の周波数4.25GHZの
マイクロ波に対しても、プラズマ放電部を大きくできる
ので、大面積の半導体ウエハを少ない回数で加工して、
半導体加工コストの低減化を図ることができ、さらにオ
ーバーサイズ伝搬方式を用いるので、低い方の周波数よ
り高い方の周波数のマイクロ波に対する導波管の電力損
失を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施するマイクロ波プラズマ
生成装置の構成図である。第２図（Ａ）は、本発明の方法を実施する装置に使用す
るマイクロ波発振源切換器の構造を示す図、第２図
（Ｂ）は第２図（Ａ）に示すハンドルを回動させて別の
状態にしたときのマイクロ波発振源切換器の構造を示す
図である。第３図（Ａ）は、2.45GHZのマイクロ波が導波管内を伝
搬する反射角度を示す図、第３図（Ｂ）は4.2GHZのマイ
クロ波が導波管内をオーバーサイズ伝搬したときの反射
角度を示す図である。第４図は、本発明の方法を実施する装置の導波管内のマ
イクロ波伝搬による損失係数を示す線図である。第５図は、本発明の方法を実施する装置の放電チャンバ
を形成する円筒導波管内のマイクロ波伝搬による損失係
数を示す線図である。第６図は、従来のマイクロ波プラズマ生成装置の構成図
である。１……第１のマイクロ波発振源２……アイソレータ５……方形導波管 10……導波経路 11……テーパ接続変換器 12……放電チャンバ 14……プラズマ生成チャンバ 21……第２のマイクロ波発振源 22……テーパガイド 23……マイクロ波発振源切換器Ｄ……プラズマ放電部Ｗ……被加工半導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田勇二大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号株式会社ダイヘン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体プラズマプロセスに用いるマイクロ
波プラズマ生成装置において、相互に周波数の異なる複
数のマイクロ波発振源と、前記複数のマイクロ波発振源
のうち最低周波数のマイクロ波発振源の基本モード伝搬
に合せた導波経路と、前記複数のマイクロ波発振源のう
ちの他の周波数のマイクロ波発振源を前記導波経路の入
力端に接続するためのテーパガイドと、前記導波経路の
出力端に接続された放電チャンバと、前記放電チャンバ
に接続されたプラズマ生成チャンバとを具備して、前記
最低周波数のマイクロ波発振源と前記テーパガイドを接
続した前記他の周波数のマイクロ波発振源とを取り換え
て前記導波経路の入力端に接続することにより、異なる
周波数のマイクロ波でプラズマを生成させるマイクロ波
プラズマ生成方法。
【請求項２】半導体プラズマプロセスに用いるマイクロ
波プラズマ生成装置において、相互に周波数の異なる複
数のマイクロ波発振源と、前記複数のマイクロ波発振源
のうち最低周波数のマイクロ波発振源の基本モード伝搬
に合せた導波経路と、前記複数のマイクロ波発振源のう
ちの他の周波数のマイクロ波発振源を前記導波経路の入
力端に接続するためのテーパガイドと、前記導波経路の
出力端に接続された放電チャンバと、前記放電チャンバ
に接続されたプラズマ生成チャンバと、前記最低周波数
のマイクロ波発振源と前記テーパガイドを接続した前記
他の周波数のマイクロ波発振源とを切り換えて前記導波
経路の入力端に接続するマイクロ波発振源切換器とを具
備したマイクロ波プラズマ生成装置。