JPS63288022A - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 マイクロ波透過窓をλｇ／４の間隔を持った複数個の小
型窓で構成し、該小型窓の間隔部を含む近傍部に、該小
型窓を透過してくるマイクロ波の電場と直交する磁場を
形成する磁石を配設し、ＥＣＲ放電を行わせて高真空処
理を可能にした水平入射方式のマイクロ波プラズマ処理
装置。

〔産業上の利用分野〕

本発明はマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特に高精
度加工を可能にするマイクロ波プラズマ処理装置の改良
に関する。

半導体装置の製造プロセスにおいて、レジストの灰化工
程、絶縁膜の開孔工程、半導体及び配線金属層のパター
ニング工程等のエツチング処理に、１３．５６ＭＩＩｚ
Ｏ高周波を利用した従来のプラズマ処理に比べ励起効率
が高くて高速処理がなし得る利点を有する、２．４５Ｇ
ｆｌｚのマイクロ波を利用したプラズマ処理が多く用い
られ始めている。

従来のマイクロ波プラズマ処理は、例えば第３図に示す
ような装置（特願昭６０−１９８２３７参照）を用い、
マイクロ波のみでプラズマを発生させて反応ガスが励起
される。なお図中、ｌはプラズマ処理室、２はガス導入
口、３は真空排気口、４は導波管、５はマイクロ波透過
窓板、６はマイクロ波透過窓板支持板、７Ａ、７Ｂはマ
イクロ波透過窓、８は被処理基板支持部、９は被処理基
板、Ｅはマイクロ波の電場を示す。

この場合プラズマが安定して発生するのが０．１〜１０
Ｔｏｒｒ程度の比較的高いガス圧である。

従ってプラズマにより励起されて反応ガス中に生成する
イオンの量は活性中性粒子の量より遥かに少なくなり、
且つまたイオンの自由行程が被処理面上に形成されるイ
オンシースの幅に比べて短くなる。

そのため、垂直エツチング性を高めエバターニング精度
の向上を図るためにはイオンの入射エネルギーを高める
必要があり、その時被処理面の受けるダメージが大きく
なって素子性能が損なわれるという問題がある。そこで
低ダメージで、且つ高精度のエツチングが可能なマイク
ロ波プラズマ処理装置が要望されている。

〔従来の技術〕

高精度低ダメージのプラズマ処理として開発されたのが
、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ源を有す
るプラズマ処理装置である。

このＥＣＲプラズマ源を用いると１０−４程度の低圧で
プラズマを発生できるので、プラズマで励起された反応
ガス中に含まれるイオンの量が中性活性分子の量より多
量になって、エツチングへのイオンの寄与が活性中性分
子の寄与よりも大きくなる。そしてまたイオンの平均自
由行程もイオンシースの幅に比べて長くなるので、イオ
ンの入射角度を被処理面に垂直にすることができる０以
上の点からＢＣＲプラズマ源を用いたマイクロ波プラズ
マ処理装置においては、イオンの入射エネルギーを高め
ずに、高精度のエツチングができるので被処理面の受け
るダメージが大幅に減少される。

上記プラズマ源に用いるＥＣＲ現象は、マイクロ波の電
場に直角な向きに、下記電子のサイクロトロン周波数の
式を満足する値以上の強さ即ち磁束密度を有する磁場を
負荷することによって形成される。

ｆ：：−ｅＢ／２ｇｍ ｍ：電子の質量 ｅ：電子の電荷の絶対値 Ｂ：磁束密度 即ち２．４５ＧＨｚのマイクロ波をプラズマ励起に用い
る際には、励起用電磁波である該マイクロ波に該マイク
ロ波の電場に直角に、少なくとも８５７Ｇａｕｓｅ以上
の強さの静磁場が負荷される必要がある。

ＥＣＲプラズマ源を用いたマイクロ波プラズマ処理装置
として従来提供されているものに、第４図、第５図、第
６図に示すような装置がある。

第４図は特公昭５９−３９５０８に開示されたプラズマ
エツチング装置の概略図である０図中、５１はマグネト
ロン、５２は矩形導波管、５３Ａ　、５３Ｂ　、５３Ｃ
は空気流通口、５４は円形導波管、５５はマイクロ波透
過用石英管、５６は放電室（処理室）、５７はエツチン
グガス導入口、５８は試料台、５９は永久磁石、６０は
真空排気口、６１はプローブ、６２は被処理試料、６３
Ａ　、　６３Ｂはソレノイドコイルを示す。

この装置においては放電室５６から試料６２にかけてソ
レノイドコイル６３Ａ　、６３Ｂと永久磁石５９により
ミラー磁場が印加され、且つ２．４５ＧＨｚのマイクロ
波が石英管５５を通して放電室５６内に導入され、所定
のガス圧に調整された放電室５６内のエツチングガスに
マイクロ波プラズマ放電を発生せしめて試料のエツチン
グ処理がなされる。

また第５図は特開昭６０−１２０５２５に開示されたプ
ラズマ気相成長装置の概略図で、図中６４は導波管、６
５は冷却水配管、６６は冷却室、６７は例えば窒素（Ｎ
２）等の反応ガスを導入する第１のガス導入口、６８は
プラズマ発生室、６９はプラズマ透過窓、７０は気相成
長室、７１は例えばモノシラン（ＳｉＨ＜）等のソース
ガスを導入する第２のガス導入口、７２はプラズマ、７
３はプラズマの流れを示し、その他の符号は第４図と同
一対象物を示している。

そしてこれら第４図及び第５図に示す装置においては高
電力のマイクロ波が導入できるようにマイクロ波の搬送
に導波管６４が用いられ、且つ導波管６４の先端部（延
長部）に放電室５６或いはプラズマ発生室６８が設けら
れる構造である。

そのためこれらの装置において１０−’ＴｏｒｒＴｏｒ
ｒ付近域でＥＣＲ放電を起こさせるための電磁石は空心
のソレノイドコイル６３Ａ　、６３Ｂとして導波管５４
或いは導波管６４の延長上にある該導波管６４より大き
な直径を有するプラズマ発生室６８の周囲に配置される
。

従って放電室５６或いはプラズマ発生室６８内にＥＣＲ
放電を起こさせるのに必要な８５７Ｇａｕｓｅ以上の静
磁場を形成させる電磁石即ちソレノイドコイル６３Ａ　
、６３Ｂが大口径となり、消費電力が非常に太き（なる
と同時に、それ自身の冷却系や直流電源を含めて該電磁
石系が厖大なものになって、非常に自由度が低く扱いに
くい装置になっていた。

そこで従来ＥＣＲプラズマ源を小型化する試みが石川比
等によってなされ下記文献に報告されている。

［永久磁石を用いた小形マイクロ波放電型イオン源；　
Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｍｉｃｒｏｉ＋ａｖｅ　Ｄｉｓｃｈａ
ｒｇｅ　Ｉｏｎ　５ｏｕｃｅ　ｂｙＩＪｓｅ　ｏｆ　Ｐ
ｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　」石川他、−第６回
イオン源とイオンを基礎とした応用技術；　Ｔｈｅ　６
ｔｈＳｉｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｔｏｎ　５ｏｕｒｃｅ
　ａｎｄ　Ｉｏｎ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ　−ＩＳＩＴＡ　’　８２第６図はこのイオン源
の概略図を示したもので、７４はマイクロ波を誘導する
同軸ケーブル、７５はアンテナ、７６はプラズマ生成室
、７７はプラズマ生成室を構成する強磁性体の壁、７８
はガス導入口、７９は永久磁石、８０は非強磁性体の壁
、８１は絶縁体、８２は強磁性体底板、８３はイオンビ
ーム放出用開孔、８４はイオンビームを示す。

このイオン源においてはＥＣＲ現象を起こさせる磁石に
永久磁石７９を用い、同軸ケーブル７４で運ばれたマイ
クロ波をアンテナ７５を用いてプラズマ生成室７６即ち
真空容器内に導入しているので、装置は小型化され省エ
ネルギー化される。

しかしながら、アンテナ７５が直接プラズマに触れスパ
ッタされてプラズマを汚染するおそれがあり、またマイ
クロ波の搬送に同軸ケーブル７４を使っているためにＩ
Ｋ−程度以上のマイクロ波を導入するのが困難で高速の
プラズマ処理ができないという問題があった。

更に上記３種の装置は何れも１０−１〜１０−”Ｔｏｒ
ｒ付近で運転した際、ＥＣＲ条件を満たさなくてもマイ
クロ波のみでプラズマが発生する可能性があり、この時
プラズマの発生する位置が変わるのでガス圧が変わる度
にマツチング系の再調整が必要になり、取扱が煩雑化す
るという問題もあった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明が解決しようとする問題点上記のように従来のＥ
ＣＲ方式のマイクロ波プラズマ処理装置においては、形
状が小型で大電力処理が可能であり、且つ安定したプラ
ズマが得られ、プラズマ汚染のない装置が提供されなか
ったことである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、マイクロ波の進行方向に平行に設けたマ
イクロ波透過窓を介してマイクロ波をプラズマ処理室に
導入し、該プラズマ処理室内のガスをプラズマ化して、
被処理基板のプラズマ処理を行うマイクロ波プラズマ処
理装置において、前記マイクロ波透過窓がλｇ／４（λ
ｇ＝管内波長）の間隔を持った複数個の窓からなり、且
つ該マイクロ波透過窓の近傍に該マイクロ波透過窓を透
過するマイクロ波の電場と交差する向きの磁場を形成す
る磁石を配置し、該プラズマ処理室内にマイクロ波の電
場と該磁石の磁場とが直角に交差・　するＥ×Ｂの領域
を形成した本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置に
よって解決される。

（作　用〕 本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は導波管によって
搬送されたマイクロ波を、該マイクロ波の進行方向に対
して平行に設けたマイクロ波透過窓を介してプラズマ処
理室内へ導入する水平入力方式を有し、これによってプ
ラズマからのマイクロ波の反射によるマツチングのずれ
をな（した。

そして、導波管からプラズマ処理室内へのマイクロ波の
導入をλｇ／４の間隔を持った複数の小型マイクロ波透
過窓を介して行うことによって小型窓から処理室内に効
率良くマイクロ波を導入することを可能にし、且つマイ
クロ波透過窓を小型化することによってマイクロ波透過
窓の真空圧による破壊を防止する。

そして更に小型のマイクロ波透過窓の近傍に、小型の永
久磁石を用いて、該マイクロ波透過窓を通過してくるマ
イクロ波の電場に直角に交わり、且つＥＣＲ条件を満足
するような磁場を形成することによって、装置の大幅な
拡大を招かずに高真空領域でのＥＣＲ放電によるプラズ
マの発生を可能にした。

また、マイクロ波の導入がアンテナを用いず導波管から
マイクロ波透過窓を介してなされるので、プラズマの汚
染も防止される。

〔実施例〕

以下本発明を図示実施例により、具体的に説明する。

第１図は本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の一
実施例の模式側断面図（ａ）及びそのＡ−Ａ断面図（ｂ
）、第２図は同マイクロ波透過窓近傍の模式側断面図で
ある。

全図を通じ同一対象物は同一符合で示す。

本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は第１図に示
すように２．４５ＧＨｚのマイクロ波を搬送して来る矩
形導波管４の側面に接して、ガス導入口２、真空排気口
３、及び被処理基板９が載置される被処理基板支持部８
を有するプラズマ処理室１が配設され、導波管４とプラ
ズマ処理室ｌの界面にマイクロ波（μ波）の進行方向（
電場方向）に平行に配置されたマイクロ波透過窓から例
えば石英よりなるマイクロ波透過用窓板５を通してプラ
ズマ処理室（真空容器）１内へマイクロ波が導入される
水平入射方式である。

そしてマイクロ波透過用窓板５の真空圧による破壊を防
止するために、プラズマ処理室（真空容器）ｌ側に非磁
性金属よりなる窓板支持板６が配設され、該窓板支持板
６にλｇ／４（λｇ：管内波長）の中心間の距離を有す
る例えば２つの平行したスリット状のマイクロ波透過窓
７Ａ、７Ｂが設けられる。このようにして導波管４とプ
ラズマ処理室１とを結合するとプラズマ処理室１がマイ
クロ波の副導波管となるため、それぞれのマイクロ波°
透過窓７＾、７Ｂの開口面、積を小さくしてもプラズマ
処理室１内に充分にマイクロ波が導入される。

なお上記２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合マイ
クロ波透過窓７Ａ、７Ｂの中心間の距離は３７閣程度に
なり、マイクロ波透過窓７Ａ、７Ｂは例えば１１Ｏ×２
７閣程度のスリット状に形成される。

以上の構造は第３図に示した従来の水平入射方式のマイ
クロ波プラズマ処理装置と同様である。

そして更に本発明に係る構造においては、更に第２図に
も拡大して示したように、例えばマイクロ波透過窓７Ａ
、７Ｂの間隔部と両外側の近傍部に極性の異なる永久磁
石ｌＯとＩＩＡ　、　ＩＩＢとが例えば埋込まれて配設
され、該永久磁石１０とＩＩＡ　、ＩＩＢとによってマ
イクロ波透過窓７Ａ、７Ｂの下部に該マイクロ波透過窓
７Ａ、　７Ｂを透過して来るマイクロ波の電場Ｅと直角
に交差する磁場Ｂが形成される。上記マイクロ波を使用
する際この永久磁石１０とＩＩＡ、ｌｌＢの強さは、マ
イクロ波透過窓７Ａ、７Ｂの下部に８７５Ｇａｕｓｅ以
上の静磁場が形成する強さに選ばれるが、本実施例にお
いてはサマリウム・コバルトよりなり、２０００Ｇａｕ
ｓｅ程度の表面磁場を有する永久磁石１０とＩＩＡ　、
ＩＩＢを用いた。

これによって例えばプラズマ処理室１にｌｃｃ／ｌ１ｉ
ｎでアルゴン（Ａｒ）ガスを導入し、所要の真空排気を
行って該プラズマ処理室１内の圧力を１Ｏ−４Ｔｏｒｒ
に維持した状態で、マイクロ波透過窓７Ａ、７Ｂから該
プラズマ処理室１内に１．５にＷの出力を有するマイク
ロ波を導入した際、第２図に示すようにマイクロ波の電
場Ｅと永久磁石の磁場Ｂとが直交するＥ×Ｂの領域がマ
イクロ波透過窓７Ａ、７Ｂの間隔部（ブリッジ部）の下
部に形成され、その部分でＥＣＲ条件が満たされて、上
記のような低ガス圧（高真空度）において該領域にプラ
ズマ放電Ｐが形成され、被処理基板８面のプラズマ処理
が行われる。

なお圧力が高くなり、ＥＣＲ放電でなくてマイクロ波の
直接励起によるプラズマ発生となっても、プラズマはほ
ぼ同じ場所に形成されるため、１０′〜１０−　’Ｔｏ
ｒｒの範囲でマツチング条件を調整し直す必要がない。

上記実施例ににおいては、マイクロ波透過窓が２個配設
され、且つ該マイクロ波透過窓の間隔部（ブリッジ部）
と両外側部に極性の異なる永久磁石を配設する構造につ
いて説明したが、本発明は上記実施例に限らず、中心間
の距離λｇ／４のマイクロ波透過窓が３個以上の多数個
配設される構造にも適用される。

また本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、上記
永久磁石がマイクロ波透過窓の間隔部（ブリッジ）部の
みに配設される構造であっても良く、またそこに配設さ
れる磁石は異なる極性を有する２個の永久磁石であって
も、また単一極性を有する一個の永久磁石であってもよ
い。

上記実施例から明らかなように本発明に係るマイクロ波
プラズマ処理装置は、導波管からの水平入射方式であっ
て、導波管とプラズマ処理室との間に設けられる小型の
マイクロ波透過窓の近傍に永久磁石を配設することによ
って該マイクロ波透過窓の下部領域に選択的にＥＣＲ条
件が満足される静磁場が形成される。従って本発明によ
ればＥＣＲ放電形成のためのための静磁場形成手段が従
来に比べ大幅に小型化されると同時にプラズマ形成条件
も安定するので、高真空プラズマ処理用のマイクロ波プ
ラズマ処理装置が小型且つ簡略化され汎用性が高まる。

また、導波管によるマイクロ波導入方式であるので高電
力のマイクロ波を用いることができ、高速処理が可能で
あると同時に、プラズマ領域内に露出するアンテナ部が
ないのでプラズマスパッタによるプラズマの汚染も防止
される。

〔発明の効果］ 以上説明のように本発明によれば、高真空度におけるイ
オン主働型の低ダメージで且つ高精度のエツチング処理
が可能なＥＣＲ方式によるマイクロ波プラズマ処理装置
が、ガス圧に関係なく安定したプラズマ生成条件を有し
、且つ従来より大幅に小型に形成できる。

従って本発明は半導体装置のプロセス工程の高精度化及
び作業性向上に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の側
断面図（ａ）及びＡ−Ａ断面図（ｂ）、第２図は本発明
に係るマイクロ波プラズマ処理装置のＥＣＲｆｉ電を示
す図、 第３図は従来の水平入力方式のマイクロ波プラズマ処理
装置の模式側断面図、 第４図は従来のＥＣＲ方式のマイクロ波プラズマエツチ
ング装置の模式側断面図、 第５図は従来のＥＣＲ方式のマイクロ波゛プラズマ気相
成長装置の模式側断面図、 第６図は従来の小形マイクロ波放電型イオン源の模式側
断面図である。 図において、 ■はプラズマ処理室（真空容器）、 ２はガス導入口、 ３は真空排気口、 ４は矩形導波管、 ５はマイクロ波透過用窓板、 ６は窓板支持板、 ７Ａ、７Ｂはマイクロ波透過窓、 ８は被処理基板支持部、 ９は被処理基板、 １Ｏ１１１＾、ＩＩＢは永久磁石、 Ｂは磁場、 Ｅはマイクロ波の電場、 Ｐはプラズマｔ！１．亀 を示す、　　′ （ｂ）Ａ−Ａ断ｌｆ７図 漠式’　１！ｉ町近目図 草６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波の進行方向に平行に設けたマイクロ波
   透過窓を介してマイクロ波をプラズマ処理室に導入し、
   該プラズマ処理室内のガスをプラズマ化して、被処理基
   板のプラズマ処理を行うマイクロ波プラズマ処理装置に
   おいて、前記マイクロ波透過窓がλｇ／４（λｇ：管内
   波長）の間隔を持った複数個の窓からなり、且つ該マイ
   クロ波透過窓の近傍に該マイクロ波透過窓を透過するマ
   イクロ波の電場と交差する向きの磁場を形成する磁石を
   配置し、該プラズマ処理室内にマイクロ波の電場と該磁
   石の磁場とが直角に交差するＥ×Ｂの領域を形成したこ
   とを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
2. （２）上記磁石が少なくともマイクロ波透過窓の間隔部
   に配設されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のマイクロ波プラズマ処理装置。
3. （３）上記磁石が互いに逆の極性を有し、マイクロ波透
   過窓の両側に配設されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. （４）上記磁石による磁石表面での磁場の強さが、少な
   くともプラズマ励起用電磁波との電子サイクロトロン共
   鳴磁場と同等若しくはそれ以上の強さとなる領域を含ん
   でいることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のマ
   イクロ波プラズマ処理装置。