JPH09312285A - 二重壁式マイクロ波プラズマアプリケータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クーラントを熱放射源からできるだけ近接さ
せ、プラズマの冷却を最適化しイオン及び電子の密度を
低減し、真空プロセスチャンバからの反応性種の出力を
最大にする。 【解決手段】 本発明では、プラズマは、熱放出の程度
の高い第１のサファイア部材の中に収容される。第１の
部材は、熱エネルギーを典型的にはスペクトルの赤外領
域で放射するプラズマにより充分に加熱される。熱エネ
ルギーは、狭い低圧ギャップの全体に放射され、第１の
部材を囲む熱透過性の高い同心の第２のサファイア部材
の中に進む。この狭いギャップにより、例えばギャップ
の中の熱伝導媒体を介しての熱的接触による第１の部材
から第２の部材への熱の伝導が最小になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理及び
プラズマ処理装置に関する。特に、本発明はプラズマア
プリケータを冷却するための方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造産業において、プラズマ処理
は必要不可欠な手段である。この処理では、電磁気の放
射を用いて処理ガスの分子を分解するプラズマを発生
し、ウエハエッチング等のプロセスステップに用いるた
めの反応性種を生成する。プラズマはプロセス環境の中
でウエハのすぐ上に生成してもよく、あるいは離れたと
ころで、プラズマをアプリケータの中に生成してからウ
エハ表面に導いてもよい。

【０００３】半導体産業では、対角寸法が２〜３フィー
トの、３００ｍｉｌウエハサイズのフラットパネルディ
スプレイを製造に取り組んでいる。このアプリケーショ
ンに対しては、３キロワット〜１０キロワットに致る実
質的に高いマイクロ波パワーが、エッチング、クリーニ
ング及びＣＶＤ処理に必要である。このパワーのうち、
約６５％が熱的手段によってアプリケータに取り去られ
ていると考えられている。

【０００４】この熱エネルギーを取り去るために用いる
ことができる方法には、現在３つの方法があり、即ち、
伝導、対流及び放射である。既知のアプリケータでは、
表面から液体への伝導を用いて熱エネルギーを除去して
いるものもある。微視的なレベルでは、伝導の過程で局
所的に高熱貫流となる箇所が生じ、液体が沸騰ないし揮
発するようになる。このような気化の地点で局所的な熱
移動が実質的に低下する。

【０００５】熱エネルギー除去に用いることができる別
の方法としては、液体金属用のヒートパイプ、例えばナ
トリウムヒートパイプやリチウムヒートパイプ等があ
る。しかし、液体金属用ヒートパイプは誘電材料製では
ないため、マイクロ波エネルギーがプラズマ励起源とな
る場合に、これを用いることが許容されない。

【０００６】固体から液体への熱移動のメカニズムで
は、熱移動は約１００,０００〜２００,０００ワット／
ｍ² に制限され、この範囲は処理環境の動作圧力に依拠
している。このような熱移動速度は一般に、高いパワー
の印加や活性の高いプラズマ化学反応を扱うには不十分
である。このため、この高いレベルでは熱エネルギーを
放射によって更に効率良く除去する。

【０００７】この熱エネルギーを取り去るための放射を
効率的に行うためには、このエネルギーを放射すること
ができ破壊や溶融しない材料でできたアプリケータチュ
ーブが必要になる。熱エネルギーの除去に放射を用いる
既知の技術の１つに、アプリケータの金属の壁に熱エネ
ルギーを吸収させるようにするものがある。そして、こ
の壁を冷却して、熱エネルギーを取り去る。しかし、放
射される熱エネルギーの全てが、クーラントがアプリケ
ータを最初に通過する際に壁に吸収されないことがしば
しばである。このことにより、熱移動の効率に損失が生
じる。更に、このことに使用可能な金属壁の面積が、熱
移動が可能な量を制限する因子となっている。更に、こ
のような金属壁により囲まれたアプリケータの中に遠隔
的にプラズマを生成するための環境を設計することは非
常に困難であり、例えば、メタルは導電性でありアプリ
ケータへのマイクロ波エネルギーの伝搬を妨害する等で
ある。

【０００８】図１は、従来技術に従った代表的なプラズ
マ処理環境１０を示す模式的な線図である。このプラズ
マ処理環境は、プロセスチャンバ１２と、遠隔プラズマ
（リモートプラズマ）を生成するために用いられるアプ
リケータ１５とを有している。従来技術のプラズマアプ
リケータには、チューブと、少なくとも１つの端部にあ
りポンプ輸送されるプロセスガスが通る開口部とを備え
ているものがある。プロセスガスは、ソース１４から供
給されるものであり、ＣＦ₂、Ｏ₂、Ｎ₂、Ｃｌ₂及びＮＦ
₃を備えていてもよい。また、導波路１３が与えられて
もよく、これを通じて、ＲＦ信号やマイクロ波信号等の
電磁エネルギー１１がチューブに導かれて、チューブ内
にプラズマを発生させこれを維持する。

【０００９】このように発生したプラズマにより生成し
た反応性種は、移動導管２０を介してチューブの開端の
外へと導かれる。反応性種は、プロセスチャンバ１２へ
と導かれる。代表的には、ガス拡散板１７を用いてプラ
ズマを拡散し、プロセスチャンバ内で反応性種を均等に
分散し、均等なウエハ処理を促進する。反応性種はワー
クピース、代表的には半導体ウエハ１８の方へと導か
れ、排気ポート１９を介してプロセスチャンバから排気
される。

【００１０】アプリケータの中に発生したプラズマは、
所望の反応性種と共に、イオン及び電子を含んでいる。
アプリケータから供給されるガス中に存在する荷電種の
いずれもが、真空プロセスチャンバ内における電界に局
所的な変化を生じさせ得る。このように生じた電界の変
化により様々な問題が生じ、その中には、チャージアッ
プダメージやゲート酸化物の品質悪化が含まれ、これに
よりウエハ収率が直ちに下がる。

【００１１】ウエハに対するこのようなダメージを最小
にするため、反応性種がアプリケータから出て行く前
に、アプリケータに発生する全てのプラズマを直ちに消
す必要がある。このプラズマの消失は、プラズマからエ
ネルギーを取り去ることによって行ってもよい。プラズ
マエネルギーの約６５％を熱エネルギーの形態でアプリ
ケータから取り去ることができると考えられている。

【００１２】リモートプラズマアプリケータ１５はエン
ドキャップを有する中空チューブで、プラズマの形状
も、エンドキャップを有する中空チューブであると考え
てもよい。従って、アプリケータは、内側にガスを有し
ているだけのブリキ缶のようなものである。アプリケー
タに反応性ガスが進入するときはそれは、チューブの内
側エッジにある一方の端部から供給される。しかし、ガ
スは、チューブの端部のトップキャップを介して移動し
ていくまでは、プラズマに晒されない。ガスが頂部中心
に注入される場合は、チューブの頂部端近くにプラズマ
が達するためには拡散作用が必要になる。ガスをチュー
ブの内側エッジに注入する場合は、中心に注入する場合
によりもより長くガスをプラズマに晒すことができ、何
故なら、プラズマに直ちに晒すために拡散は必要ではな
いからである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】プラズマアプリケータ
組立体を作る場合、サファイアチューブを用いることが
知られている。サファイアチューブにより、約１２イン
チ（１インチ＝約２５．４ｍｍ）までの長さのチューブ
に沿ってプラズマを発生させることができるようにな
る。しかし残念ながら、プラズマ発生による高熱が、サ
ファイアアプリケータの冷却に関する特別な問題を生じ
させる。冷却は、チューブの表面全体に均等に行わなけ
ればならず、また、チューブ内の電磁エネルギーの流れ
を妨害しない必要がある。マイクロ波エネルギーを用い
てプラズマ発生させるシステムには、水など既知のクー
ラントのほとんどが使用困難であり、何故なら、クーラ
ント自身がこのエネルギーを吸収し、付加的な熱を更に
発生することになる。加えて、この水冷式では、金属の
配管を導管として細心に間隔をとって用いる必要があ
り、この配管の間隔が、アプリケータへの電磁エネルギ
ーの伝達に大きな影響を与え得る。

【００１４】サファイア製などのアプリケータチューブ
を冷却するための１つのアプローチは、チューブの周り
にジャケットを与えることであり、このジャケットは、
チューブとジャケットの間に水を循環させるために約１
ｍｉｌ（１ｍｉｌ＝約２５．４μｍ）の非常に薄いギャ
ップを有している。しかし、１１インチのスパンにわた
って１ｍｉｌのギャップを維持することは非常に困難で
ある。この苛酷な要求を満たさないような機械加工がチ
ューブにされていれば、チューブは使用することはでき
ず廃棄しなければならない。

【００１５】加えて、サファイアチューブ自身は大変壊
れやすく、そのためアプリケータ組立体に取り付けるた
めには、チューブを壊さないような方法で、チューブに
機械的応力を与えないような手法で行う必要がある。ま
た、この取り付けでは、チューブを所望の構成関係に保
持するように充分しっかりと固定する必要があり、特
に、臨界的なクリアランスをもつギャップを画する外側
冷却ジャケットがチューブと連合する場合に必要であ
る。冷却断面の全体に実質的な偏りがあった場合は、高
温となる部分が生じ、そこでチューブは壊れてしまう。
また、この取り付けでは、反応性ガス及び／又はプラズ
マが漏出してアプリケータ組立体の中へ進入することを
防止する必要があり、また、外側雰囲気又はその他の流
体が反応性ガス領域及び／又はプラズマ領域に進入する
ことを防止する必要がある。

【００１６】図２は、従来技術に従ったプラズマアプリ
ケータの簡略化側面断面図である。これと同様の二重壁
式アプリケータが、１９９５年７月１０日出願の米国特
許出願（米国特許出願Ｓ．Ｎ．０８／４９９,９８４
号） "Microwave Plasma Applicator" に記載されてい
る。このシステムでは、反応性ガスはガスソース１４か
らアプリケータへと供給される。ガスはアプリケータへ
と進入し、エンドディスク２５の上のエンドプレート２
８に画されるプレナム３１に導かれる。このプレナム
は、プラズマがエンドディスクの上に到達しないことを
確保する背圧が生じている容積空間を与える。

【００１７】エンドディスク２５及び流入ポート２６
は、反応性ガスをアプリケータチューブ３０のエッジま
で下げるように導くポート配置を有している。エンドデ
ィスク２５は、自身に形成された一連の対称配置アパー
チャーを、アプリケータチューブの内径のすぐ内側に有
している。ソース１１により供給される電磁エネルギー
が、導波路１３を介してアプリケータの開口に進入する
が、この導波路は、本発明の好ましい具体例では、アプ
リケータの中にその軸を実質的に横断するように挿入さ
れている。電磁エネルギーにより反応性ガスを点火して
プラズマを発生させる。

【００１８】外側チューブ３７がアプリケータチューブ
を囲んでその間にギャップ１６を画し、クーラントソー
ス１５からのクーラントがそのギャップの中を通って循
環することができる。アプリケータチューブはトルクを
与えずに装着することが好ましく、また、適合許容範囲
が厳密でないことが好ましい。

【００１９】このアプリケータの具体例の１つでは、パ
ーフルオリネーテドポリエステル等のクーラントを用い
て、マイクロ波の吸収を無視できる程度とすることが好
ましく、これにより、プラズマへのマイクロ波パワーの
堆積が更に安定化し予測可能となり、また、マイクロ波
により生じた電界パターンにクーラントの存在による著
しい変化が生じなくなる。

【００２０】流体クーラントのバルクを熱放射源にでき
るだけ近接させてアプリケータから熱エネルギーを取り
去るアプリケータを与えることは、プラズマの遠隔的発
生に対し有利である。更に、現状及び発展中のプロセス
において、高いパワーレベル及び活性の高いプラズマ化
学に対して用いることができれば有利である。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ処理
のステップにおいて、高いパワーレベルと活性の高いプ
ラズマ化学に対して用いることができる、改良されたプ
ラズマアプリケータを提供する。プラズマは、熱放出の
程度の高い第１のサファイア部材の中に収容される。第
１の部材は、熱エネルギーを典型的にはスペクトルの赤
外領域で放射するプラズマにより充分に加熱される。熱
エネルギーは、狭い低圧ギャップの全体に放射され、第
１の部材を囲む熱透過性の高い同心の第２のサファイア
部材の中に進む。この狭いギャップにより、例えばギャ
ップの中の熱伝導媒体を介しての熱的接触による第１の
部材から第２の部材への熱の伝導が最小になる。

【００２２】マイクロ波吸収が無視できる程度であるよ
うなクーラント流体が、第２のサファイア部材と、二重
壁式スリーブ組立体を囲む同心の第３のサファイア部材
との間に流される。このクーラント流体は、そのバルク
に対して放射される熱エネルギーの大部分を吸収するこ
とが可能な熱的性質を有している。第２の部材は狭いギ
ャップに真空を維持していることが好ましく、また、流
体を保持し、流体が漏出して第１の部材に進入してプラ
ズマに接触することを、防止することが好ましい。

【００２３】本発明は、クーラントを熱放射源からでき
るだけ近接させ、プラズマの冷却を最適化しイオン及び
電子の密度を低減し、真空プロセスチャンバからの反応
性種の出力を最大にする。このようにプラズマをバルク
で冷却することにより、パワーの高い用途及び／又は活
性の高いプラズマ化学において特に有用な、効率の高い
冷却のメカニズムを与える。

【００２４】

【発明の実施の形態】図３は、本発明に従った二重壁式
プラズマアプリケータ４０の側面断面図である。このア
プリケータは二重壁組立体を有しており、この二重壁組
立体は、管状の第１の部材４２と、この第１の部材を取
り囲む同心管状の第２の部材４４とを備えている。同心
管状の第３の部材４６が、この二重壁式組立体を取り囲
む。従来技術で知られている如く、マイクロ波エネルギ
ーを第１の空孔５４の中に収容されているプロセスガス
に印加することにより、この第１の空孔の中にプラズマ
を発生させる。また、磁界を、アプリケータを包囲する
ように与えて、プラズマで生成される活性種を励起して
もよい。

【００２５】第１の部材はプラズマによって、熱エネル
ギーを放射するに充分加熱される。第１の部材は、温度
の上昇と共に熱放射性が増加するように選択される。ピ
ークの熱エネルギーは代表的には、赤外の領域に少なく
ともある波長で放射される。しかし、本発明の代替的な
具体例では、ピーク熱エネルギーは、可視光の範囲の波
長で放射されてもよい。熱エネルギーの放射は、第１の
部材と第２の部材の間の狭いギャップ５０を抜け、好ま
しくは第２の部材の赤外透過壁の中を通過する。この狭
いギャップは脱気条件に維持され、ギャップ内に収容さ
れている流体媒体を介した熱接触等の因子から生じ得
る、第１の部材と第２の部材の間の熱エネルギーの伝導
を防止する。

【００２６】第２の部材と第３の部材の間のギャップ５
２内には、赤外吸収クーラント流体が流れている。この
クーラント流体が流体のバルクに対する熱放射の大部分
を吸収することが好ましい。第３の部材は、好ましく
は、第１の部材と第２の部材の間の狭いギャップ内に低
圧領域を維持し、また、このギャップ内に流体を保持し
て、流体が第１の部材の空孔内へと漏出してプラズマ接
触することを防止する。

【００２７】図４は、代表的なプラズマ処理処理環境を
示す模式的な線図であり、これは、プロセスチャンバ
と、本発明に従って遠隔プラズマ（リモートプラズマ）
を発生させるためのアプリケータとを有してる。ガスソ
ース６４からアプリケータ６０へとプロセスガスがポン
プ輸送される。導波路６３が具備され、その中を通って
電磁エネルギー６１のソースがアプリケータへと導か
れ、その中にプラズマを点火しこれを維持する。ポンプ
７０により、第２の部材７２と第３の部材７４の間のギ
ャップの中にクーラントを循環させる。このように、プ
ラズマにより反応性種を生成し、これは、チューブのオ
ープンエンドから外に出て、移動導管７２の中を通り、
プロセスチャンバ６２に向かうように導かれる。

【００２８】第１の部材と第２の部材は、アプリケータ
内に存在する腐食環境に対して耐性が高い材料、例えば
単結晶サファイア等で形成されることが好ましい。単結
晶サファイアは酸化アルミニウムの一種であり、その性
質は周知であり、例えば化学的耐性のレベルが高く、ク
オーツよりも熱伝導率が高いためチューブ内側からチュ
ーブ外側へ大きな熱を移動できる等が挙げられる。ここ
に記載するタイプのサファイアチューブは、例えば米国
ニューハンプシャー州ミルフォードのサフィコン社(Sap
hikon)から入手可能である。また、サファイア以外の材
料でこのアプリケータを形成してもよいことは当業者に
は明らかであろう。

【００２９】サファイアを含むほとんどの化合物に関し
て、分光放射率と分光吸収率とは同じものである。放射
率とは、特定の温度において特定の波長で得られる光エ
ネルギーの量のことである。本発明の目的での放射率と
は、サファイアに対しては波長の関数である。

【００３０】更に、サファイアの赤外吸収特性及び赤外
放射特性は、温度に依存する。一般に、温度が上昇すれ
ば、放射率のピークが短波長側に近付く。図５は、第１
の部材の放射率を赤外放射の波長（λ）の関数として示
すグラフである。このグラフのＹ軸は、第１のサファイ
ア部材の放射率（ε）を示している。図６は、第２の部
材の吸収率を赤外放射の波長（λ）の関数として示すグ
ラフである。このグラフのＹ軸は、第２のサファイア部
材の吸収率（α）を示している。

【００３１】第１のサファイア部材の全放射パワーは、
温度の４乗の関数で変化する。このように、第１の部材
の温度が少し上昇すれば、放射パワーが大きく増加する
ことになる。本発明の好ましい操作環境では、第１のサ
ファイア部材の温度は、放射率が１のときの約１２００
℃と、放射率が０．５のときの約２０００℃との間の範
囲にある。例えば、サファイアが高温にある場合は、波
長１．２ミクロン（μｍ）の光ないし放射光が更に多く
放出される。このように高温の第１の部材は、より短い
波長でのピーク放出を実現する。波長がピークから離れ
るにつれて、光放出の量が落ちる。

【００３２】サファイアが低温のときは、放射光のほと
んどが波長４ないし５ミクロンで放出される。クーラン
ト流体により、第２の部材の温度を第１の部材よりも著
しく低い温度に維持する。放射率と吸収率はサファイア
では一般に同じであるため、低温の第２の部材の吸収率
のピークは波長約４ないし５ミクロンにある。しかし、
高温の第１のの部材から放出される光の大部分は、これ
より短い波長約１．２ミクロンであり、これは第２の部
材の吸収率が低い部分である。従って、放射熱エネルギ
ーの大部分は第２の部材を通過してクーラント流体に致
り、このとき第２の部材を大きく上昇させることはな
い。

【００３３】サファイアチューブの放射率を向上させる
技術は幾つか知られている。知られている方法の１つと
して、サファイアを紫外線に曝露してチューブ内のバル
ク欠陥を生じさせる方法がある。このバルク欠陥はカラ
ーセンターと呼ばれ、光の吸収及び再放出において放射
率を高めるような、結晶構造の小さな変化のことであ
る。この方法で処理したサファイアの放射率は１に近付
き、温度が約１２００℃になる。サファイアは、その融
点２０５３℃の約２０〜３０℃以内まででは非常に安定
である。従って、チューブの温度はサファイアの構造的
な制限の中に充分含まれる。本発明の好ましい具体例で
は、第１の部材だけが紫外放射光による処理を受ける
が、その理由は、第２の部材の吸収率を低く保ちその熱
吸収を低くすることが重要だからである。

【００３４】クーラント流体は、熱エネルギーを吸収す
る必要があり、この熱エネルギーは好ましい具体例にお
いて代表的には赤外放射光である。しかし、クーラント
流体は、プラズマ発生に用いるマイクロ波をあまり吸収
しないことを要する。本発明の好ましい具体例では、流
体は液体クーラントであり、例えば水素処理中間留出物
(hydrotreated middle distillate) （ＣＡＳ Ｎｏ．
６４７４２−４６−７）である。この液体の例には、水
流体や様々なタイプの石油留分が含まれる。米国テキサ
ス州ヒューストンのペンゾイル社 (Pennzoil Corporati
on) では、商品名Frigi-Tranz で、適当な低温の水流体
を製造している。半導体処理の用途に対しては、性質が
直ちに予測できるよう純粋な液体が要求される。水流体
は通常は赤く染められているため、Frigi-Tranz 等の流
体が本発明のアプリケータに使用できるようになるま
で、蒸留によりこの着色を取り去る必要がある。対称的
な分子や弗素化化合物の中にも、赤外放射を吸収する傾
向を有し且つマイクロ波吸収が低いもの、即ち有用なも
のがある。

【００３５】従来技術では、クーラント流体の流れを急
速にして流体の乱流を伴わせることにより熱移動を行っ
ている。これは、表面粗さの程度の高いクオーツ外側部
材を与えることにより実現することができる。本発明に
従えば、熱移動は、流体の急速な流れ及び乱流によりも
のではなく、冷却流体へのバルクの移動により行われ
る。従って、本発明は外側の第３の部材を与えて、この
中にクーラント流体を保持する。第２の部材は誘電体で
あり、即ちマイクロ波を透過するが導電性はない。第２
の部材の製造に用いるに適するものものには、クオー
ツ、セラミックやテフロン（ポリ四弗化エチレン樹脂：
ＰＴＦＥ樹脂）がある。しかし、本発明の範囲から離れ
ることなく、他の材料を用いることも可能である。

【００３６】第３の部材と第２の部材の間のギャップの
幅は、クーラント流体の赤外範囲の吸収係数によって決
まる。このギャップの幅の範囲は、約１ミリメートル〜
約１センチメートルである。例えば、Frigi-Tranz は吸
収率が比較的高く、Frigi-Tranz が赤外放射光の大部分
を吸収するためには、この幅は約２ｍｍで充分である。

【００３７】本発明の具体例の１つでは、第１の通路で
クーラントに吸収されない赤外放射光は、第３の部材を
囲む金属壁５６に反射される。この反射された熱エネル
ギーはクーラント流体の中に戻るように進み、第１のチ
ューブ内のプラズマまで戻る前にこの流体にかなり吸収
される。また、このメタル壁により、プラズマに与えら
れるマイクロ波エネルギーが、第１のチューブの周りの
領域の中に制限される。

【００３８】クーラント流体の流量は、アプリケータか
ら取り去られるべきエネルギーによって決まる。代表的
には、クーラント流体は１グラム当たり約１／１０〜１
カロリーの熱容量を有している。即ち、この様なクーラ
ント流体の適切な流体流量は、毎分３〜５リットルであ
る。第２の部材と第３の部材の間に比較的大きなギャッ
プが存在するため、ギャップの頂部から底部への圧力降
下は小さい。従って、ギャップの中には低い流体圧力が
維持されている。更に、従来技術のポンプ手段を用い
て、ギャップの中の流体を移動させてもよい。

【００３９】二重壁式マイクロ波プラズマアプリケータ
の設計は、その中にプラズマを発生させている間におけ
る第１のサファイア部材の熱膨張を考慮にいれて行われ
る。このプラズマ発生中の間、第１のサファイア部材は
２０００℃を越える温度に達することもある。このよう
な温度では、長さ１１ないし１２インチのサファイアチ
ューブは約０．０３インチ膨張する。従って、第１のサ
ファイア部材の装着の際、装着機構への熱移動を最小に
しつつサファイアの熱膨張を許容するように行うことが
重要である。本発明の好ましい具体例では、窪んだ座ぐ
り穴５８を有するディスク４８を用いて第１の部材の端
部５９を保持している。本発明の好ましい具体例では、
このディスクは、アプリケータ内部に存在する腐食性の
環境に高い耐性を示すように、サファイア製である。し
かし、本発明の範囲から離れることなくサファイアを他
の材料に置き換えてもよい。

【００４０】第１の部材５８の外面は、座ぐり穴５７の
内面と接触している。このように、座ぐり穴は第１の部
材を側部で支持しているが、その端部を制限してはいな
い。このように、熱膨張に対する許容部が形成される。
更に、第１のサファイア部材を座ぐり穴の中に実質的に
浮かせることにより、サファイアディスクへの熱移動は
実質的に低減される。

【００４１】ギャップがその中へのプラズマ形成を防止
できるほど充分に小さい場合は、第１のサファイア部材
と第２のサファイア部材の間のギャップにプロセスガス
が漏出しても許容される。ギャップの中に偶発的に生成
するプラズマが迅速な再結合によって消失することを確
保するためには、平均自由行程の１００倍未満のギャッ
プで充分である。プロセスガス分子の平均自由行程は局
所的な圧力により決まるため、ギャップの幅はアプリケ
ータの動作圧力に依存する。例えば、圧力トールでは、
平均自由行程は約１０^-4メートルである。従って、この
平均自由行程の１０倍未満のギャップであれば、発生し
たあらゆるプラズマを消失させる。このようなギャップ
の幅は、容易に機械加工できるものである。

【００４２】熱サイクルの間、第１の部材は長手方向及
び半径方向に膨張する。しかし、このような膨張全体の
量は、このサファイア部材もとの直径又は長さに依拠す
る。本発明の好ましい具体例では、第１の部材の直径は
約３ないし４センチメートルである。温度約２０００℃
では、このサファイアチューブの半径方向の膨張は、長
さの膨張の約１／４である。従って、２０００℃では直
径の熱膨張は約８／１０００インチである。従って、サ
ファイアディスクは座ぐり穴にこの量のクリアランスを
与える必要がある。

【００４３】本発明の好ましい具体例では、第１のサフ
ァイア部材は長さ約１１〜１２インチ（約２８０ｍｍ〜
約３０５ｍｍ）である。第１の部材は、サファイアディ
スクの座ぐり穴の中にフィットし且つ座ぐり穴に支持さ
れるように、第２の部材よりも少し長くなっている。熱
エネルギーの移動は放射により行われるため、サファイ
ア層が薄ければ熱を放射する物質が少ないということで
ある。しかし、第１のサファイア部材は熱伝導性が高
く、また放射率がおよそ１であるため、厚さは約３０／
１０００〜７０／１０００インチ（約０．７６〜１．８
ｍｍ）であってもよく、また３０／１０００〜５０／１
０００インチ（約０．７６〜１．３ｍｍ）でも充分であ
る。第２のサファイア部材は、プラズマの冷却の確保の
ためには重要でない。従って、第２のサファイア部材の
構造的な品質も、壁厚さが約３０／１０００〜７０／１
０００インチ（約０．７６〜１．８ｍｍ）で容易に維持
される。

【００４４】プロセスガスがシステム内に進入したとき
は、これを逃がさないようにしなければならない。従っ
て、Ｏリング（図示せず）等の弾性を有するシールを与
えてアプリケータをガス漏出からシールする。同様に、
Ｏリング等の弾性を有するシールを更に与えて、アプリ
ケータの品質を維持することを確保する。本発明の範囲
から離れることなく他のシール手段を用いてもよい。

【００４５】この二重壁式マイクロ波プラズマアプリケ
ータは、従来技術のアプリケータに対して幾つかの利点
を提供する。

【００４６】高温のプラズマから移動する放射は、赤外
透過ウィンドウを通過して流体に致る。本発明の好まし
い具体例では液体クーラントを用いるが、何故なら液体
は対流熱移動の性質が良好だからである。この冷却液体
はバルクとして加熱され迅速に取り除かれる。液体をバ
ルク加熱することにより、熱せられた壁の表面から熱エ
ネルギーを除去することに関する困難さが著しく低減さ
れる。

【００４７】アプリケータには大量の流体を用いる。従
って、高いパワーレベルを用いることができ、大面積の
表面を処理することができる。例えば、フラットパネル
ディスプレイである。

【００４８】この二重壁式のアプローチの別の利点は、
バルク流体クーラントを放射熱源にできるだけ近づける
ことができる点である。液体クーラントが放射熱を効率
良く取り去り、このときアプリケータチューブの壁を介
した伝導等の熱移動の更なる必要性がない。

【００４９】この二重壁式マイクロ波プラズマアプリケ
ータは、プラズマ自身が熱エネルギーのかなりの部分を
放射する。この放射は液体に直接吸収される。これは、
再放射される前にサファイアの運動エネルギー又は振動
エネルギーに変換される必要はない。従って、プラズマ
は、その放射熱が冷却液体に吸収されることにより、直
接冷却される。

【００５０】アプリケータ内に生成するプラズマは、所
望の活性種だけでなく、イオンと電子とを有している。
真空プロセスチャンバに運ばれる種の大部分は、中性で
あるが活性の高いラジカル又は化学的活性種であるはず
である。従って、イオン及び電子は、真空プロセスチャ
ンバに運ばれる前に、除去するか、あるいは少なくとも
６〜７分の１程度まで低減させる必要がある。アプリケ
ータを効率よく用いるためには、アプリケータチャンバ
内のプラズマ全てを迅速に消失させなければならない。
エネルギーを取り除けばプラズマが消失する。プラズマ
エネルギーの約６５％は、アプリケータの中で熱的に取
り除かれる。従って、プラズマの再結合が、マイクロ波
の場の下流数センチで行われる。

【００５１】アプリケータから運ばれたガスに存在する
あらゆる荷電種が、真空プロセスチャンバの中で電界に
局所的な変化を与え得る。これは、ウエハの表面上の導
電性の局所的な変化によるものである。このような電界
に生じた変化は、チャージアップダメージやゲート酸化
物の品質の悪化を含む問題を生じ得る。従って、このよ
うに生じた変化は、ウエハ上のダイの収率を急速に悪化
させる。更に、この二重壁式マイクロ波プラズマアプリ
ケータと用いるに適するもの等の先進の真空プロセスチ
ャンバのほとんどでは、静電チャックを用いている。静
電チャックは静電引力を用いてウエハを保持するための
メカニズムである。現在使用されている静電チャック
は、プラズマを取り扱えない。この静電チャックを改良
してプラズマを取り扱えるようにすることは非常に困難
である。

【００５２】二重壁式マイクロ波プラズマアプリケータ
は、プラズマからの効率のよい熱の除去という利点を提
示する。この改良されたエネルギー除去メカニズムによ
って、イオン及び電子の濃度が実質的に低減しつつ、真
空プロセスチャンバ内に運ばれるラジカルを残す。ラジ
カルのエネルギーは化学エネルギーよりも非常に低く、
その放射はプラズマ放射からかなり低減されている。従
って、チャージアップダメージやゲート酸化物の品質の
悪化や静電チャック破壊の問題は、取り除けなかったと
しても最小になる。

【００５３】ラジカルは、等方的なエッチングプロセス
には不可欠である。等方的なエッチングプロセスでは全
ての方向に対して等しくエッチングを行い、例えばフォ
トレジスト層の下までエッチングがなされる。本発明で
出力されるものはラジカル又は活性種でありプラズマで
はないため、二重壁式マイクロ波プラズマアプリケータ
により、ウエハをより効率良く等方的にエッチングする
ことが容易になる。

【００５４】本発明はここまで好ましい具体例を参照し
て説明してきたが、当業者は、本発明から離れることな
くここに含まれるものを他の応用に置き換えることがで
きるだろう。

【００５５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、クーラントを熱放射源からできるだけ近接させ、
プラズマの冷却を最適化しイオン及び電子の密度を低減
し、真空プロセスチャンバからの反応性種の出力を最大
にする。このようにプラズマをバルクで冷却することに
より、パワーの高い用途及び／又は活性の高いプラズマ
化学において特に有用な、効率の高い冷却のメカニズム
が与えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術に従って、プロセスチャンバと、リモ
ートプラズマを発生させるためのアプリケータとを含
む、代表的なプラズマ処理環境を示す模式的な構成図で
ある。

【図２】従来技術に従ったプラズマアプリケータの側面
断面図である。

【図３】本発明に従ったプラズマアプリケータの側面断
面図である。

【図４】本発明に従って、プロセスチャンバと、リモー
トプラズマを発生させるためのアプリケータとを含む、
代表的なプラズマ処理環境を示す模式的な構成図であ
る。

【図５】本発明に従った第１の部材の放射率を、赤外放
射の波長に関して示すグラフである。

【図６】本発明に従った第２の部材の吸収率を、赤外放
射の波長に関して示すグラフである。

【符号の説明】

１０…プラズマ処理環境、１１…電磁エネルギー、１２
…プロセスチャンバ、１３…導波路、１４…ソース、１
５…アプリケータ、１６…ギャップ、１７…ガス拡散
板、１８…半導体ウエハ、１９…排気ポート、２０…移
動導管、２５…エンドディスク、２６…流入ポート、２
８…エンドプレート、３１…プレナム、３７…外側チュ
ーブ、４０…プラズマアプリケータ、４２…第１の部
材、４４…第２の部材、４６…第３の部材、４８…ディ
スク、５０…ギャップ、５２…ギャップ、５４…第１の
空孔、５８…座ぐり穴、６０…アプリケータ、６１…電
磁エネルギー、６２…プロセスチャンバ、６４…ガスソ
ース、７２…第２の部材、７４…第３の部材。

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマアプリケータであって、 その中でプラズマが生成する第１の部材と、 前記第１の部材を囲む第２の部材であって、前記第１の
   部材と前記第２の部材の間に第１のギャップが画成さ
   れ、前記第１の部材の中の前記プラズマにより静電チャ
   ック発生した熱エネルギーが前記第１のギャップの全体
   に放射することができ、前記熱エネルギーが前記第２の
   部材を介して放射される、前記第２の部材と、 前記第２の部材を囲む第３の部材であって、前記第２の
   部材と前記第３の部材の間に第２のギャップが画成さ
   れ、前記第１の部材から前記第１のギャップの全体に放
   射される前記熱エネルギーを吸収するクーラント流体が
   前記第３のギャップの中に循環する、前記第３の部材と
   を備えるプラズマアプリケータ。
2. 【請求項２】 前記第１の部材が、熱エネルギーのピー
   クが放射される波長で高い放射率を有する請求項１に記
   載のプラズマアプリケータ。
3. 【請求項３】 前記第２の部材が、熱エネルギーのピー
   クが放射される波長で低い吸収率を有する請求項１に記
   載のプラズマアプリケータ。
4. 【請求項４】 前記第１の部材が、波長約１．２ミクロ
   ン（μｍ）で放射率のピークを有する請求項１に記載の
   プラズマアプリケータ。
5. 【請求項５】 前記第２の部材が、波長約４〜５ミクロ
   ン（μｍ）で吸収率のピークを有する請求項１に記載の
   プラズマアプリケータ。
6. 【請求項６】 前記第１の部材と前記第２の部材とがサ
   ファイア製である請求項１に記載のプラズマアプリケー
   タ。
7. 【請求項７】 前記第１のサファイア製の部材が、前記
   第１の部材の結晶構造に変化を発生させ前記第１の部材
   の放射率を向上させるようなバルク欠陥を生じさせる処
   理を製造において受ける請求項６に記載のプラズマアプ
   リケータ。
8. 【請求項８】 前記第１のサファイア部材が、紫外線照
   射に曝露され前記バルク欠陥が生じられている請求項７
   に記載のプラズマアプリケータ。
9. 【請求項９】 前記第１の部材が、約１１〜１２インチ
   （約２８０〜３０５ｍｍ）の長さを有する請求項１に記
   載のプラズマアプリケータ。
10. 【請求項１０】 前記第１の部材と前記第２の部材と
    が、厚さが約３０／１０００〜７０／１０００インチ
    （約０．７６〜１．８ｍｍ）である請求項１に記載のプ
    ラズマアプリケータ。
11. 【請求項１１】 前記第３の部材が誘電材料製である請
    求項１に記載のプラズマアプリケータ。
12. 【請求項１２】 前記誘電体材料が、クオーツと、セラ
    ミックと、テフロンと、ポリ四弗化エチレン（ＰＴＦ
    Ｅ）樹脂とから成る群より選択される請求項１１に記載
    のプラズマアプリケータ。
13. 【請求項１３】 前記クーラント流体が液体である請求
    項１に記載のプラズマアプリケータ。
14. 【請求項１４】 前記クーラント流体が、水素処理中間
    留出物である請求項１に記載のプラズマアプリケータ。
15. 【請求項１５】 前記第３の部材を囲む金属壁を更に備
    える請求項１に記載のプラズマアプリケータ。
16. 【請求項１６】 更に、 少なくとも前記第１の部材を移動に対して固定するため
    の装着手段であって、前記装着手段は、自身への熱移動
    を最小にしつつも前記第１の部材の熱による膨張に適合
    するに充分な許容範囲を与えるように構成される、前記
    装着手段を備える請求項１に記載のプラズマアプリケー
    タ。
17. 【請求項１７】 前記装着手段が更に、前記第１の部材
    を受容して保持するに適する窪んだ座ぐり穴を有するデ
    ィスクを備える請求項１６に記載のプラズマアプリケー
    タ。
18. 【請求項１８】 前記ディスクがサファイア製である請
    求項１７に記載のプラズマアプリケータ。
19. 【請求項１９】 前記ディスクの上方に配置された降伏
    材料を更に備えて、前記第１の部材と前記第２の部材の
    間の前記ギャップが小さくなる請求項１７に記載のプラ
    ズマアプリケータ。
20. 【請求項２０】 アプリケータの中にプラズマを生成す
    るためのプロセスであって、 第１の部材の中にプラズマを生成し、前記第１の部材か
    ら熱エネルギーが放射されるステップようになる、プラ
    ズマ生成のステップと、 前記第１の部材を囲むように第２の部材を与え、前記第
    １の部材と前記第２の部材の間に第１のギャップが画成
    され、前記第１のギャップの全体に熱エネルギーが放射
    され前記第２の部材は前記熱エネルギーに対して透過性
    を有する、第２の部材を与えるステップと、 前記第２の部材を囲むように第３の部材を与え、前記第
    ２の部材と前記第３の部材の間に第２のギャップが画成
    される、第３の部材を与えるステップと、 前記第２の部材と前記第３の部材の間に画成される前記
    第２のギャップの中にクーラント流体を循環させて、バ
    ルク冷却により前記放射された熱エネルギーを吸収す
    る、クーラント流体循環のステップとを有するプロセ
    ス。
21. 【請求項２１】 前記プラズマの前記バルク冷却によ
    り、プラズマイオンと電子を低減し、前記アプリケータ
    から出力される反応性種を最大にする請求項２０に記載
    のプロセス。
22. 【請求項２２】 前記第１の部材がサファイア製であ
    り、且つ、前記第１の部材の結晶構造に変化を発生させ
    前記第１の部材の放射率を向上させるようなバルク欠陥
    を生じさせる処理を製造において受けている、請求項２
    ０に記載のプロセス。
23. 【請求項２３】 前記第１の部材が短い波長に放射率の
    ピークを有し、且つ、前記第２の部材が長い波長に吸収
    率のピークを有する請求項２０に記載のプロセス。