JPH09171900A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、プラズマの活性種密度を広い面積に
おいて均一にかつ高くする。 【解決手段】プラズマチャンバ１内にマイクロ波導入窓
３を通してマイクロ波を導入し、プラズマチャンバ１内
に封入された媒質ガスを励起してプラズマを発生させる
プラズマ発生装置において、マイクロ波導入窓３に隣接
したプラズマチャンバ１の内壁に誘電体３０を取り付け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマの発生領
域を改善したプロセスのプラズマ発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波を用いたプロセスプラズマ装
置としては、例えばエッチング装置やアッシング装置が
ある。このようなプロセスプラズマ装置は、媒質ガスを
圧力数Ｐａ〜数１０Ｐａで反応容器に導入するとともに
この反応容器内にマイクロ波電力を導入して媒質ガスを
励起してプラズマ化し、このプラズマで生成されたラジ
カルやイオン等の活性種により被加工物である例えば基
板をエッチング又はアッシングする構成となっている。

【０００３】そして、このプロセスプラズマ装置では、
例えば基板に対して広い領域を処理するために、広い面
積で均一なプラズマを生成することが要求されている。
図６はかかるプロセスプラズマ装置の構成図である。

【０００４】プラズマチャンバ１の上部には、開口部２
が形成されている。このプラズマチャンバ１の開口部２
には、プラズマ波導入窓３が設けられ、さらにマイクロ
波をプラズマチャンバ１内に導入するためのマイクロ波
導波管４が設けられている。

【０００５】なお、マイクロ波導波管４は、マイクロ波
放出口５がプラズマ波導入窓３を介してプラズマチャン
バ１の開口部２に対応する位置に設けられている。この
マイクロ波導波管４には、図示しないマイクロ波発生回
路が接続されている。

【０００６】プラズマ波導入窓３は、マイクロ波を効率
よくプラズマチャンバ１内に導入するために例えば石
英、アルミナセラミックの誘電体で形成されている。
又、プラズマチャンバ１の側面には、例えばＯ₂ 、ＣＦ
₄ などの媒質ガスをプラズマチャンバ１内に供給するた
めのガス供給口６が設けられている。

【０００７】一方、プラズマチャンバ１の下部には、プ
ロセスチャンバ７が連結されている。このプロセスチャ
ンバ７内には、加工対象を搭載するための加工ステージ
８が設けられ、かつ下部にガスを排気するためのガス排
気口９が設けられている。

【０００８】このような構成であれば、マイクロ波発生
回路で発生したマイクロ波は、マイクロ波導波管４を伝
播してマイクロ波放出口５から放出され、プラズマ波導
入窓３を透過してプラズマチャンバ１内に導入される。

【０００９】このマイクロ波は、プラズマチャンバ１内
に封入されている媒質ガスを励起し、プラズマ１０を発
生させる。このプラズマ１０の発生により活性種が生成
され、この活性種は、プロセスチャンバ７の排気口９に
向かうガスの流れに運ばれて加工ステージ８上に搭載さ
れた基板をプロセス加工する。

【００１０】ここで、マイクロ波で生成されるプラズマ
１０のサイズは、開口部２よりも小さくなる。これは、
プラズマチャンバ１が金属で形成され、この金属表面で
の電界がゼロとなり、この金属表面ではプラズマが生成
されないことと、開口部２の近傍で生成されたプラズマ
中のイオンが金属表面に伝わる電子と再結合し、消滅す
ることによる。

【００１１】このようにプラズマ１０の存在領域が開口
部２よりも小さいために、加工ステージ８面での活性種
密度の分布は、図６に示すように中央部で高く、開口部
２の周辺部でプラズマ１０のに損失が大きくなって低く
なる。

【００１２】このようにプラズマ１０の活性種密度の分
布であることから、プロセスにおいて、被加工物の加工
量、加工形状は、活性種の密度によって決まるため、加
工状態は基板の面内で不均一となる問題が発生する。

【００１３】これを回避するために、プロセスを行う領
域を活性種密度の低下しない領域、すなわち図６に示す
点線内の領域Ｅに限定して使用している。このため、プ
ロセスの加工範囲が装置サイズよりも小さく、大きな領
域での加工を行うためには大きな装置が必要となる。
又、開口部２面でのプラズマ損失も大きく、生成された
プラズマが有効に活用されない。

【００１４】一方、マイクロ波を用いたプラズマ処理装
置としては、例えば特開平６−１０４２１０号公報に記
載されている技術がある。図７はかかるプラズマ処理装
置の構成図である。マグネトロン２０の設けられた導波
管２１の開口部には、石英窓２２を介して処理室２３が
設けられている。

【００１５】この処理室２３の側面の外部には、コイル
２４が配置され、かつ内部には試料２５を搭載する試料
台２６が設けられている。又、処理室２３の側面には、
ガス配管２７が設けられている。

【００１６】この処理室２３内の石英窓２２には、この
処理室２３内を分割するように複数の誘電体２８が突出
して設けられている。このような構成であれば、マグネ
トロン２０により発生したマイクロ波は、導波管２１内
を伝播し、石英窓２２を透過して処理室２３内に入射さ
れる。

【００１７】この場合、処理室２３内の各誘電体２８
は、石英窓２２に接続され、かつ大きく突出した状態で
配置されているので、マイクロ波により生成されたプラ
ズマを分割し、これによりプラズマをあまり減衰するこ
となく、プラズマ密度がほぼ均一になる。

【００１８】しかしながら、プラズマ１０の存在領域を
大きくするものでなく、狭い領域での均一化のみを図る
ものである。従って、大きな領域での加工を行うために
は大きな装置が必要となる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにプラズマ
１０の存在領域が開口部２よりも小さいために、プロセ
スを行う領域を活性種密度の低下しない領域に限定して
使用しているため、プロセスの加工範囲が装置サイズよ
りも小さく、大きな領域での加工を行うためには大きな
装置が必要となる。又、開口部２面でのプラズマ損失も
大きく、生成されたプラズマが有効に活用されない。

【００２０】又、一方の装置でもプラズマ１０の存在領
域を大きくするものでなく、大きな領域での加工を行う
ためには大きな装置が必要となる。そこで本発明は、プ
ラズマの活性種密度を広い面積において均一にかつ高く
できるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、反応
容器内にマイクロ波導入窓を通してマイクロ波を導入
し、反応容器内に封入された媒質ガスを励起してプラズ
マを発生させるプラズマ発生装置において、少なくとも
マイクロ波導入窓の近傍に反応容器の内壁に誘電体を取
り付けたプラズマ発生装置である。

【００２２】このようなプラズマ発生装置であれば、反
応容器内にマイクロ波導入窓を通して反応容器内にマイ
クロ波が導入されると、このマイクロ波は、マイクロ波
導入窓に隣接した反応容器の内壁に設けられた誘電体の
表面に沿って表面波として伝播し、これによりプラズマ
の存在領域は広がる。又、誘電体は導電性がないので、
その表面からは電子が供給されず、再結合が発生しずら
くなり、プラズマの損失はきわめて小さくなる。

【００２３】請求項２によれば、請求項１記載のプラズ
マ発生装置において、マイクロ波導入窓に連結された反
応容器の開口部に、この反応容器の内部に向かって広が
るテーパ部を形成し、このテーパ部を含む部分に誘電体
を取り付けた。

【００２４】このようなプラズマ発生装置であれば、反
応容器の開口部をテーパ部に形成して誘電体を設けたの
で、プラズマの存在領域はさらに広がる。請求項３によ
れば、請求項１記載のプラズマ発生装置において、マイ
クロ波導入窓にスロットアンテナを形成した。

【００２５】このようなプラズマ発生装置であれば、マ
イクロ波がスロットアンテナの狭い溝から放射状に伝播
するので、プラズマの存在領域は誘電体面よりも広がり
易くなる。

【００２６】

【発明の実施の形態】

(1) 以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参
照して説明する。図１は請求項１に対応するプラズマ発
生装置の構成図である。プラズマチャンバ１の上部に
は、開口部２が形成されている。このプラズマチャンバ
１の開口部２には、プラズマ波導入窓３が設けられ、さ
らにマイクロ波をプラズマチャンバ１内に導入するため
のマイクロ波導波管４が設けられている。

【００２７】なお、マイクロ波導波管４は、マイクロ波
放出口５がプラズマ波導入窓３を介してプラズマチャン
バ１の開口部２に対応する位置に設けられている。この
マイクロ波導波管４には、図示しないマイクロ波発生回
路が接続されている。

【００２８】プラズマ波導入窓３は、マイクロ波を効率
よくプラズマチャンバ１内に導入するために例えば石
英、アルミナセラミックの誘電体で形成されている。こ
のプラズマ波導入窓３に隣接したプラズマチャンバ１の
内壁には、誘電体３０が取り付けられている。

【００２９】この誘電体３０の材料としては、例えばガ
ラス、セラミック等が用いられている。この誘電体３０
の取り付け方としては、例えばねじ止め式、はめ込み
式、接着等のいずれの方式であってもよい。又、セラミ
ック等の誘電体をコーティングしたり、又は溶射による
溶接をしてもよい。

【００３０】なお、この誘電体３０とプラズマ波導入窓
３を形成する誘電体とは、同一誘電率、同一材質を有す
るものが好ましい。又、プラズマチャンバ１の側面に
は、例えばＯ₂ 、ＣＦ₄ などの媒質ガスをプラズマチャ
ンバ１内に供給するためのガス供給口６が設けられてい
る。

【００３１】一方、プラズマチャンバ１の下部には、プ
ロセスチャンバ７が連結されている。このプロセスチャ
ンバ７内には、加工対象を搭載するための加工ステージ
８が設けられ、かつ下部にガスを排気するためのガス排
気口９が設けられている。

【００３２】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。マイクロ波発生回路で発生したマイクロ
波は、マイクロ波導波管４を伝播してマイクロ波放出口
５から放出され、プラズマ波導入窓３を透過してプラズ
マチャンバ１内に導入される。

【００３３】このマイクロ波は、マイクロ波放出口５か
ら放射状に広がり、表面波として誘電体３０の表面を伝
播する。すなわち、マイクロ波は、マイクロ波導入窓３
の下面並びに誘電体３０の横及び下面に広がる。

【００３４】従って、このマイクロ波によりプラズマチ
ャンバ１内に封入されている媒質ガスが励起され、図２
に示すようにマイクロ波導入窓３の下面並びに誘電体３
０の横及び下面に広がったプラズマ３１が発生する。

【００３５】この場合、誘電体３０は、導電性がないの
で、その表面から電子が供給されることはなく、これら
電子とプラズマ中のイオンとの再結合は発生しずらく、
プラズマの損失はきわめて小さくなる。すなわち、プラ
ズマの活性種密度が高くなる。

【００３６】このようなプラズマ３０の発生により活性
種が生成され、この活性種は、プロセスチャンバ７の排
気口９に向かうガスの流れに運ばれて加工ステージ８上
に搭載された基板をプロセス加工する。

【００３７】このような事から、加工ステージ８上面で
の活性種密度（イ）は、図２に示すように従来の活性種
密度（ロ）に比べ、広い面積での均一性が得られるとと
もに密度の絶対値も高くなる。

【００３８】このように上記第１の実施の形態において
は、マイクロ波導入窓３に接したプラズマチャンバ１の
内壁に誘電体３０を取り付けたので、マイクロ波は、誘
電体３０の表面に沿って表面波として伝播し、これによ
りプラズマの活性種密度を広い面積において均一性にで
きるとともに密度の絶対値も高くでき、さらに誘電体３
０は導電性がないことからその表面からは電子が供給さ
れず、プラズマ中のイオンと再結合が発生しずらくな
り、プラズマの損失をきわめて小さくできる。

【００３９】従って、加工プロセスに適した範囲を図２
に示す従来の領域Ｅから本発明の領域Ｑに広げることが
できる。換言すれば、加工サイズが同一であれば、装置
自体を小型化でき、その分装置のコストを低減できる。

【００４０】さらに、全領域での活性種密度を高くでき
るので、加工速度を速くできる。又、誘電体３０を取り
付けるだけなので、既存のプラズマ発生装置にも容易に
誘電体３０を取り付けて、プラズマの活性種密度を広い
面積において均一性にできるとともに密度の絶対値も高
くできる。 (2) 次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい
説明は省略する。

【００４１】図３は請求項２に対応するプラズマ発生装
置の構成図である。プラズマチャンバ１の開口部３２
は、マイクロ波導波管４からプラズマチャンバ１内に向
かう方向に広がるテーパ状（以下、テーパ部３２と称す
る）に形成されている。

【００４２】このテーパ部３２及びこのテーパ部３２に
連続するプラズマチャンバ１の内壁には、誘電体３３が
取り付けられている。この誘電体３３の材料としては、
上記度同様に、例えばガラス、セラミック等が用いら
れ、かつその取り付け方としては、例えばねじ止め式、
はめ込み式、接着等のいずれの方式であってもよい。
又、セラミック等の誘電体をコーティングしたり又は溶
射による溶接をしてもよい。

【００４３】このような構成であれば、マイクロ波発生
回路で発生したマイクロ波は、マイクロ波導波管４を伝
播してマイクロ波放出口５から放出され、プラズマ波導
入窓３を透過してプラズマチャンバ１内に導入される。

【００４４】このマイクロ波は、マイクロ波放出口５か
ら放射状に広がり、表面波として誘電体３３の表面を伝
播し、プラズマチャンバ１内に封入されている媒質ガス
が励起され、プラズマ３４が発生する。

【００４５】この場合、プラズマチャンバ１の開口部３
２はテーパ状に形成されているので、プラズマ３４は、
マイクロ波導入窓３の下面、誘電体３３の横及び下面に
広がるとともに、さらにテーパ形状に沿って横方向に広
がる。

【００４６】このようなプラズマ３３の発生により活性
種が生成され、この活性種は、プロセスチャンバ７の排
気口９に向かうガスの流れに運ばれて加工ステージ８上
に搭載された基板をプロセス加工する。

【００４７】このように上記第２の実施の形態において
は、プラズマチャンバ１の開口部３２をプラズマチャン
バ１内に向かって広がるテーパ部３２に形成し、このテ
ーパ部３２及びこのテーパ部３２に連続するプラズマチ
ャンバ１の内壁に誘電体３３を取り付けたので、マイク
ロ波は、テーパ状の形状の誘電体３３の表面に沿って表
面波として伝播し、これによりプラズマの活性種密度を
広い面積において均一性にできるとともに密度の絶対値
も高くでき、さらに誘電体３０は導電性がないことから
その表面からは電子が供給されず、プラズマ中のイオン
と再結合が発生しずらくなり、プラズマの損失をきわめ
て小さくできる。

【００４８】従って、加工プロセスに適した範囲を従来
の領域よりも広げることができ、かつ全領域での活性種
密度を高くできるので、加工速度を速くできる。又、誘
電体３０を取り付けるだけなので、既存のプラズマ発生
装置にも容易に誘電体３０を取り付けて、プラズマの活
性種密度を広い面積において均一性にできるとともに密
度の絶対値も高くできる。 (3) 次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい
説明は省略する。

【００４９】図４は請求項３に対応するプラズマ発生装
置の構成図である。マイクロ波導波管４には、マイクロ
波放出口としてのスロットアンテナ３５と称する切り溝
が形成されている。

【００５０】図４(b) は図４のＣ−Ｃ´方向から見た断
面図であり、スロットアンテナ３５が複数、例えば４箇
所に形成されている。このような構成であれば、マイク
ロ波発生回路で発生したマイクロ波は、マイクロ波導波
管４を伝播し、各スロットアンテナ３５の切り溝から放
射状に放出され、プラズマ波導入窓３を透過してプラズ
マチャンバ１内に導入される。

【００５１】このようにマイクロ波は、スロットアンテ
ナ３５から放射状に放出されるので、誘電体３０面でよ
り広がりやすくなる。このマイクロ波は、スロットアン
テナ３５から放射状に広がり、表面波として誘電体３０
の表面を伝播し、プラズマチャンバ１内に封入されてい
る媒質ガスが励起され、プラズマ３６が発生する。

【００５２】このようなプラズマ３６の発生により活性
種が生成され、この活性種は、プロセスチャンバ７の排
気口９に向かうガスの流れに運ばれて加工ステージ８上
に搭載された基板をプロセス加工する。

【００５３】このように上記第３の実施の形態において
は、マイクロ波導波管４にマイクロ波放出口としてのス
ロットアンテナ３５と称する切り溝を形成したので、マ
イクロ波がスロットアンテナ３５から放射状に放出され
ることから誘電体３０面でより広がりやすくなり、上記
第１及び第２の実施の形態と同様に、プラズマの活性種
密度を広い面積において均一性にできるとともに密度の
絶対値も高くでき、さらに誘電体３０は導電性がないこ
とからその表面からは電子が供給されず、プラズマ中の
イオンと再結合が発生しずらくなり、プラズマの損失を
きわめて小さくできる。

【００５４】従って、加工プロセスに適した範囲を従来
の領域よりも広げることができ、かつ全領域での活性種
密度を高くできるので、加工速度を速くできる。又、誘
電体３０を取り付けるだけなので、既存のプラズマ発生
装置にも容易に誘電体３０を取り付けて、プラズマの活
性種密度を広い面積において均一性にできるとともに密
度の絶対値も高くできる。 (4) 次に本発明の第４の実施の形態について説明する。

【００５５】図５はプラズマ発生装置の構成図である。
このプラズマ発生装置は、第１のプラズマ発生装置本体
４０と第２のプラズマ発生装置本体５０とを配列した構
成となっている。

【００５６】第１のプラズマ発生装置本体４０は、プラ
ズマチャンバ４１の開口部４２にプラズマ波導入窓４３
が設けられ、このプラズマ波導入窓４３にマイクロ波導
波管４４が設けられている。

【００５７】プラズマ波導入窓４３に隣接したプラズマ
チャンバ４１の内壁には、誘電体４５が取り付けられて
いる。なお、この誘電体４５の材料としては、例えばガ
ラス、セラミック等が用いられ、かつその取り付け方と
しては、例えばねじ止め式、はめ込み式、接着等のいず
れの方式であってもよい。又、セラミック等の誘電体を
コーティングしたり又は溶射による溶接をしてもよい。

【００５８】一方、第２のプラズマ発生装置本体５０
は、プラズマチャンバ５１の開口部５２にプラズマ波導
入窓５３が設けられ、このプラズマ波導入窓５３にマイ
クロ波導波管５４が設けられている。

【００５９】プラズマ波導入窓５３に隣接したプラズマ
チャンバ５１の内壁には、誘電体５５が取り付けられて
いる。なお、この誘電体５５の材料としては、誘電体５
５と同様に、例えばガラス、セラミック等が用いられ、
かつその取り付け方としては、例えばねじ止め式、はめ
込み式、接着等のいずれの方式であってもよい。又、セ
ラミック等の誘電体をコーティングしたり又は溶射によ
る溶接をしてもよい。

【００６０】なお、プラズマチャンバ４１、５１の下部
には、プロセスチャンバ７が設けられている。このプロ
セスチャンバ７の内部で加工対象の処理がなされる。こ
のような構成であれば、各マイクロ波導波管４４、４５
を伝播してきたマイクロ波は、それぞれマイクロ波放出
口から放射状に広がり、表面波として各誘電体４５、５
５の表面を伝播する。

【００６１】従って、このマイクロ波によりプラズマチ
ャンバ４１、５１内に封入されている媒質ガスが励起さ
れ、マイクロ波導入窓４３、５３の下面、各誘電体４
５、５５の横及び下面に広がったプラズマ４６、５６が
発生する。

【００６２】このようなプラズマ４６、５６の発生によ
り活性種が生成され、この活性種は、プロセスチャンバ
７の排気口９に向かうガスの流れに運ばれて加工ステー
ジ８上に搭載された基板をプロセス加工する。

【００６３】このような事から、加工ステージ８上面で
の活性種密度は、図５に示すように広い面積での均一性
が得られるとともに密度の絶対値も高くなる。又、誘電
体３０を取り付けるだけなので、既存のプラズマ発生装
置にも容易に誘電体３０を取り付けて、プラズマの活性
種密度を広い面積において均一性にできるとともに密度
の絶対値も高くできる。

【００６４】なお、本発明は、上記各実施の形態に限定
されるものでなく次の通り変形してもよい。例えば、第
４の実施の形態で、プラズマ発生装置本体を１台のみ設
けて、マイクロ波導波管で２か所マイクロ波放出口を設
ける構成としても同様の効果が得られる。

【００６５】

【発明の効果】以上詳記したように本発明の請求項１に
よれば、プラズマの活性種密度を広い面積において均一
にかつ高くできるプラズマ発生装置を提供できる。又、
本発明の請求項２によれば、プラズマをマイクロ波導入
窓の下面、誘電体の横及び下面に広がるとともに、さら
にテーパ形状に沿って横方向に広げることができ、プラ
ズマの活性種密度を広い面積において均一にかつ高くで
きるプラズマ発生装置を提供できる。

【００６６】又、本発明の請求項３によれば、マイクロ
波をスロットアンテナから放射状に放出して誘電体面で
より広がりやすくなり、プラズマの活性種密度を広い面
積において均一にかつ高くできるプラズマ発生装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるプラズマ発生装置の第１の実施
の形態を示す構成図。

【図２】プラズマの活性種密度の広い面積での均一性及
び密度の絶対値を示す図。

【図３】本発明に係わるプラズマ発生装置の第２の実施
の形態を示す構成図。

【図４】本発明に係わるプラズマ発生装置の第３の実施
の形態を示す構成図。

【図５】本発明に係わるプラズマ発生装置の第４の実施
の形態を示す構成図。

【図６】従来のプラズマ発生装置の構成図。

【図７】従来のプラズマ発生装置の構成図。

【符号の説明】

１…プラズマチャンバ、２…開口部、３…プラズマ波導
入窓、４…マイクロ波導波管、５…マイクロ波放出口、
３０…誘電体、６…ガス供給口、７…プロセスチャン
バ、８…加工ステージ、９…ガス排気口、３２…テーパ
部、３３…誘電体、３５…スロットアンテナ、４０…第
１のプラズマ発生装置本体、５０…第２のプラズマ発生
装置本体、４１，５１…プラズマチャンバ、４２，５２
…開口部、４３，５３…プラズマ波導入窓、４４，５４
…マイクロ波導波管、４５，５５…誘電体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応容器内にマイクロ波導入窓を通して
   マイクロ波を導入し、前記反応容器内に封入された媒質
   ガスを励起してプラズマを発生させるプラズマ発生装置
   において、 少なくとも前記マイクロ波導入窓の近傍に前記反応容器
   の内壁に誘電体を取り付けたことを特徴とするプラズマ
   発生装置。
2. 【請求項２】 前記マイクロ波導入窓に連結された前記
   反応容器の開口部に、この反応容器の内部に向かって広
   がるテーパ部を形成し、このテーパ部を含む部分に誘電
   体を取り付けたことを特徴とする請求項１記載のプラズ
   マ発生装置。
3. 【請求項３】 前記マイクロ波導入窓にスロットアンテ
   ナを形成したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ
   発生装置。