JPS6367332B2 - - Google Patents
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- JPS6367332B2 JPS6367332B2 JP56018986A JP1898681A JPS6367332B2 JP S6367332 B2 JPS6367332 B2 JP S6367332B2 JP 56018986 A JP56018986 A JP 56018986A JP 1898681 A JP1898681 A JP 1898681A JP S6367332 B2 JPS6367332 B2 JP S6367332B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
- H10P14/60—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、半導体集積回路をはじめとする各種
デバイスの製造において、ガス状態の原料を導入
し、プラズマの作用を利用して試料基板上に各種
材料を付着堆積させて薄膜を形成するためのプラ
ズマ付着装置に関するものであり、特に電子サイ
クロトロン共鳴によるマイクロ波放電によつて生
成したプラズマを発散磁界の作用を用いて引出
し、そのプラズマを試料表面に照射して、低温で
高品質の薄膜を能率よく形成するためのプラズマ
低温付着装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the manufacture of various devices including semiconductor integrated circuits, the present invention introduces raw materials in a gaseous state and uses the action of plasma to adhere and deposit various materials on a sample substrate. It relates to a plasma deposition device for forming thin films, and in particular uses the action of a divergent magnetic field to draw out plasma generated by microwave discharge due to electron cyclotron resonance, and irradiates the sample surface with the plasma to deposit it at low temperatures. The present invention relates to a plasma low temperature deposition apparatus for efficiently forming high quality thin films.
従来のこの種の装置はプラズマCVD装置と呼
ばれており、試料室、ガス導入系および排気系か
らなり、試料室の内部にはプラズマ発生用の高周
波電極およびそれに対向して試料台が配置され
る。この試料台は加熱機構を有している。一例と
して、窒化シリコン膜を形成する場合について述
べると、原料としてシランガス(SiH4)および
アンモニアガス(NH3)をガス導入系より導入
し、排気系により排気しつつ、ガス圧を0.1〜
10Torrの範囲で一定に保ち、高周波電力によつ
てプラズマを発生させ、SiH4およびNH3のガス
分子を解離させ、イオンや電子の入射の作用をも
受けて、試料台上の試料基板の表面に窒化シリコ
ンを堆積させる。しかしながら、この場合には、
試料台を300〜500℃に加熱し、熱的反応も併せて
利用する必要があり、プラズマを利用して試料基
板を低温に保つたままで膜形成を行うという目的
に対しては十分でなく、さらにSiH4やNH3の分
解が不十分であるため、形成された膜中にHがと
りこまれたり、Si―Nの結合が十分でないことな
どにより、高品質の膜が得られない。このため、
耐熱性の低い試料基板や高品質膜を必要とする半
導体集積回路などへの適用に対しては著しく制限
されるという欠点があつた。 Conventional equipment of this type is called a plasma CVD equipment, and consists of a sample chamber, a gas introduction system, and an exhaust system. Inside the sample chamber, a high-frequency electrode for plasma generation and a sample stage are arranged opposite to it. Ru. This sample stage has a heating mechanism. As an example, to describe the case of forming a silicon nitride film, silane gas (SiH 4 ) and ammonia gas (NH 3 ) are introduced as raw materials through a gas introduction system, and while being exhausted through an exhaust system, the gas pressure is increased from 0.1 to
The surface of the sample substrate on the sample stage is kept constant in the range of 10 Torr, generates plasma using high-frequency power, dissociates SiH 4 and NH 3 gas molecules, and is also affected by the incident ions and electrons. Deposit silicon nitride on. However, in this case,
It is necessary to heat the sample stage to 300-500℃ and also use a thermal reaction, which is not sufficient for the purpose of forming a film while keeping the sample substrate at a low temperature using plasma. Furthermore, since the decomposition of SiH 4 and NH 3 is insufficient, H is incorporated into the formed film, and the Si--N bond is insufficient, making it impossible to obtain a high-quality film. For this reason,
The drawback is that it is severely limited in its application to sample substrates with low heat resistance and semiconductor integrated circuits that require high-quality films.
一方、プラズマを利用した他の方法としてプラ
ズマ輸送法と呼ばれるものが知られており、物質
輸送のためのプラズマ流の形成と制御が検討され
ている。この方法は、薄膜形成とエツチングの両
者に適用される。この装置はマイクロ波放電を利
用したプラズマ源と平行磁界を有した試料室とか
らなり、平行磁界の磁気的パイプの効果を利用し
て、プラズマ源から熱的拡散によつてプラズマ流
を試料の表面に輸送することにより、試料に膜を
付着させる。しかしながら、この方法を膜形成に
適用した場合、熱的拡散によつてプラズマ流を輸
送するだけであつて、試料表面における膜形成反
応に対してのイオン、電子などの入射や衝撃の効
果はほとんど利用されていない。従つて、プラズ
マ輸送法においても300〜500℃の温度に試料を加
熱し、熱エネルギーによる熱的反応を併用する必
要があつた。さらに、ここで用いられているプラ
ズマ源は同軸構造の放電室を用いたマイクロ波放
電または導波管内でのマイクロ波放電を利用して
いるので、プラズマ流の径は2cm程度と小さく、
生産性が著しく低いという欠点があつた。また、
試料表面に到達するプラズマの密度を減衰させな
いように試料室内のガス圧を低くする必要があ
り、しかもプラズマ源の内部を放電に適したガス
圧に設定する必要があるので、プラズマを導き出
す窓の径を増大することができず、このためプラ
ズマ流の径を増大させることは困難であつた。 On the other hand, another method using plasma, called plasma transport method, is known, and the formation and control of plasma flow for material transport is being studied. This method applies to both thin film formation and etching. This device consists of a plasma source using microwave discharge and a sample chamber with a parallel magnetic field.Using the effect of the magnetic pipe of the parallel magnetic field, the plasma flow is directed from the plasma source to the sample by thermal diffusion. The membrane is attached to the sample by transporting it to the surface. However, when this method is applied to film formation, the plasma flow is only transported by thermal diffusion, and the impact of incident or bombardment of ions and electrons on the film formation reaction on the sample surface is negligible. Not used. Therefore, even in the plasma transport method, it was necessary to heat the sample to a temperature of 300 to 500°C and to use a thermal reaction using thermal energy. Furthermore, since the plasma source used here utilizes microwave discharge using a discharge chamber with a coaxial structure or microwave discharge within a waveguide, the diameter of the plasma flow is as small as about 2 cm.
The drawback was that productivity was extremely low. Also,
It is necessary to lower the gas pressure inside the sample chamber so as not to attenuate the density of the plasma that reaches the sample surface, and it is also necessary to set the gas pressure inside the plasma source to an appropriate level for discharge. Therefore, it has been difficult to increase the diameter of the plasma flow.
一方、膜形成可能な面積を増大させるために
は、走査用磁気コイルを用いてプラズマ流を走査
する方法も試みられているが、膜形成速度はそれ
だけ減少し、生産性については改善されないうえ
に複雑な構成を必要とする。また、プラズマ源内
部での原料ガスの消耗または有害な堆積物の生成
を避けるために、例えばプラズマ源にN2ガスを
導入し、試料室内にSiH4ガスを導入して窒化シ
リコン膜を形成しようとするような場合、プラズ
マ流の径が小さいうえに試料室内のSiH4のガス
圧を高くできないので、N2プラズマ流とSiH4ガ
スとの相互作用が不十分であり、高品質かつ効率
的な膜形成が実現できないという欠点があつた。 On the other hand, attempts have been made to scan the plasma flow using a scanning magnetic coil in order to increase the area where a film can be formed, but this method reduces the film formation rate and does not improve productivity. Requires complex configuration. In addition, in order to avoid exhaustion of source gas or generation of harmful deposits inside the plasma source, for example, N2 gas may be introduced into the plasma source and SiH4 gas may be introduced into the sample chamber to form a silicon nitride film. In such cases, the diameter of the plasma flow is small and the SiH 4 gas pressure in the sample chamber cannot be increased, so the interaction between the N 2 plasma flow and the SiH 4 gas is insufficient, and high quality and efficient The drawback was that it was not possible to form a film.
このような従来の技術に対する改良として、本
願人は、特願昭55―57877号において、マイクロ
波空胴共振器構成の大形のプラズマ生成室を用
い、これにより電界強度を高め、さらに電子サイ
クロトロン共鳴条件を組合わせて、ガス圧
10-4Torr台以下の低ガス圧マイクロ波放電を可
能とし、活性度(分解度、電離度)の高いプラズ
マを大量に発生させることを可能となし、しかも
発散磁界の作用を用いてプラズマを引出し、その
プラズマを加速して試料面上に導き、大面積にわ
たつて、高品質の膜を低温で能率よく形成できる
ようにしたプラズマ付着装置を先に提案した。 As an improvement over the conventional technology, in Japanese Patent Application No. 55-57877, the applicant used a large plasma generation chamber configured with a microwave cavity resonator, thereby increasing the electric field strength, and further developed an electron cyclotron. By combining resonance conditions, gas pressure
It enables low gas pressure microwave discharge of less than 10 -4 Torr level and generates a large amount of plasma with high activity (degree of decomposition, degree of ionization).Moreover, it is possible to generate plasma using the action of a divergent magnetic field. We previously proposed a plasma deposition device that enables efficient formation of high-quality films over large areas at low temperatures by extracting plasma, accelerating it, and directing it onto the sample surface.
第1図はかかるプラズマ付着装置の基本構成を
示す。ここに、1はプラズマ生成室、2は試料
室、3はマイクロ波導入窓である。マイクロ波源
としては、例えば周波数2.45GHzのマグネトロン
を用いることができ、これはマイクロ波導入窓3
から外部方向に矩形導波管4、更に図示していな
い整合器、マイクロ波電力計およびアイソレータ
を経た位置に接続される。プラズマ生成室1は給
水、配水口5を介して水冷されている。ガス導入
系は2系統を有し、第1ガス導入系6はプラズマ
生成室1にガスを導入するためのものであり、第
2ガス導入系7はガスを試料室2に導くためのも
のである。プラズマ生成室1において、マイクロ
波導入窓3と対向する他端には、プラズマ流8を
引出すためのプラズマ引出し窓9を設ける。試料
台10はプラズマ生成室1に対して電気的に浮遊
の状態になるようにして設置されており、補助的
に試料基板11を加熱することができるように、
ヒータ(図示せず)を内蔵している。試料室1は
排気系12に接続されている。 FIG. 1 shows the basic configuration of such a plasma deposition apparatus. Here, 1 is a plasma generation chamber, 2 is a sample chamber, and 3 is a microwave introduction window. As a microwave source, for example, a magnetron with a frequency of 2.45 GHz can be used.
It is connected to the outside through a rectangular waveguide 4, a matching box, a microwave power meter, and an isolator (not shown). The plasma generation chamber 1 is water-cooled via a water supply and water distribution port 5. The gas introduction system has two systems, the first gas introduction system 6 is for introducing gas into the plasma generation chamber 1, and the second gas introduction system 7 is for introducing gas into the sample chamber 2. be. In the plasma generation chamber 1, a plasma extraction window 9 for extracting a plasma flow 8 is provided at the other end opposite to the microwave introduction window 3. The sample stage 10 is installed in an electrically floating state with respect to the plasma generation chamber 1, so that it can supplementally heat the sample substrate 11.
It has a built-in heater (not shown). The sample chamber 1 is connected to an exhaust system 12.
プラズマ生成室1はマイクロ波空胴共振器の条
件とし、一例として円形空胴共振モードTE113を
採用し、内のり寸法で直径20cm、高さ20cmの円筒
形状を用いて、マイクロ波の電界強度を高め、マ
イクロ波放電の効率を高めるようにした。プラズ
マ引出し窓9はプラズマ生成室1の内径20cmに対
して径10cmの円形窓とし、マイクロ波に対する反
射面とした。 The plasma generation chamber 1 is set as a microwave cavity resonator, and a circular cavity resonance mode TE 113 is adopted as an example, and a cylindrical shape with an inner diameter of 20 cm and a height of 20 cm is used to increase the microwave electric field strength. and increased the efficiency of microwave discharge. The plasma extraction window 9 was a circular window with a diameter of 10 cm relative to the 20 cm inner diameter of the plasma generation chamber 1, and was used as a reflecting surface for microwaves.
プラズマ生成室1の外周には磁気コイル13を
周設し、これによつて発生する磁界の強度を、マ
イクロ波による電子サイクロトロン共鳴の条件が
プラズマ生成室1の内部で成立するように決定す
る。例えば、周波数2.45GHzのマイクロ波に対し
ては、この条件は磁束密度875Gである。プラズ
マ生成室1内の磁界は、プラズマ引出し窓9の方
向に磁界の強度が弱くなる発散磁界を採用して、
プラズマ引出し窓9の方向にプラズマを効率よく
移動させるようにしてある。 A magnetic coil 13 is disposed around the outer periphery of the plasma generation chamber 1, and the intensity of the magnetic field generated thereby is determined so that the conditions for electron cyclotron resonance by microwaves are satisfied inside the plasma generation chamber 1. For example, for microwaves with a frequency of 2.45 GHz, this condition is a magnetic flux density of 875 G. The magnetic field inside the plasma generation chamber 1 adopts a diverging magnetic field whose intensity decreases in the direction of the plasma extraction window 9.
The plasma is efficiently moved in the direction of the plasma extraction window 9.
磁気コイル13によつて発生する磁界は、プラ
ズマ生成室1における電子サイクロトロン共鳴に
利用するだけでなく、その磁界は試料室2にも及
ぶように構成してあり、試料室2内の磁界の強度
はプラズマ引出し窓9から試料台10に向けてさ
らに適当な勾配で減少する発散磁界の形成に利用
されている。 The magnetic field generated by the magnetic coil 13 is not only used for electron cyclotron resonance in the plasma generation chamber 1, but also extends to the sample chamber 2, and the intensity of the magnetic field within the sample chamber 2 is is used to form a diverging magnetic field that further decreases at an appropriate gradient from the plasma extraction window 9 toward the sample stage 10.
発散磁界中では一般に荷電粒子は円運動しつ
つ、円運動のエネルギーが、角運動量を保存した
状態で発散磁界の方向の運動エネルギーに転化さ
れ、磁界強度の減少する磁力線方向に沿つて加速
される。電子サイクロトロン共鳴のマイクロ波放
電によつて生成されたプラズマにおいては、電子
が高エネルギーを有しているので、ガス分子の分
解や電離の効率、すなわち活性化効率が高いのみ
ならず、発散磁界の方向に勢いよく加速されて試
料台5に到達する。試料台5は電気的に浮遊、す
なわち絶縁状態にしてあるため、電子の入射によ
つて試料台5は負に帯電し、その結果イオンの入
射数と電子の入射数とが一致するような条件で平
衡状態になる。すなわち、プラズマ流8の内部に
は、発散磁界の効果によつてイオンの入射数を増
加させ、電子の入射数を減少させるような静電界
が誘起されている。換言すると、電子の円運動エ
ネルギーが発散磁界方向のイオンの運動エネルギ
ーに転化され、電子だけでなくイオンも加速され
て試料台10に入射する。 In a diverging magnetic field, charged particles generally move in a circular motion, and the energy of the circular motion is converted into kinetic energy in the direction of the diverging magnetic field while preserving angular momentum, and is accelerated along the direction of the magnetic field lines where the magnetic field strength decreases. . In plasma generated by microwave discharge of electron cyclotron resonance, electrons have high energy, so not only is the efficiency of decomposition and ionization of gas molecules, that is, the activation efficiency, high, but also the efficiency of the divergent magnetic field is high. It is vigorously accelerated in the direction and reaches the sample stage 5. Since the sample stage 5 is electrically floating, that is, in an insulated state, the sample stage 5 is negatively charged by the incidence of electrons, and as a result, the condition is such that the number of incident ions and the number of incident electrons match. reaches an equilibrium state. That is, an electrostatic field is induced within the plasma flow 8 by the effect of the diverging magnetic field, which increases the number of incident ions and decreases the number of incident electrons. In other words, the circular kinetic energy of the electrons is converted into the kinetic energy of the ions in the direction of the divergent magnetic field, and not only the electrons but also the ions are accelerated and enter the sample stage 10.
このような発散磁界に起因する静電界のほか
に、電子の熱運動に起因して試料台10の表面部
にある程度の電界が生じており、この部分はイオ
ンシースと呼ばれる。試料表面に入射するイオン
の運動エネルギーはこれらの電界によつて生じる
運動エネルギーの和であり、そのエネルギーは薄
膜形成における付着反応にきわめて大きな効果を
もたらす。 In addition to the electrostatic field caused by such a divergent magnetic field, a certain amount of electric field is generated on the surface of the sample stage 10 due to the thermal movement of electrons, and this portion is called an ion sheath. The kinetic energy of ions incident on the sample surface is the sum of the kinetic energies generated by these electric fields, and this energy has an extremely large effect on the adhesion reaction in thin film formation.
更に加えて、プラズマは発散磁界の磁力線に沿
つて引出されるので、10cm径で引出されたプラズ
マ流8は試料台10上で約20cm径に増大してお
り、膜形成反応における効果のみならず大面積の
膜形成を実現できる。 In addition, since the plasma is extracted along the lines of magnetic force of the divergent magnetic field, the plasma flow 8 that was extracted with a diameter of 10 cm increases to a diameter of about 20 cm on the sample stage 10, which not only has an effect on the film formation reaction but also has an effect on the film formation reaction. It is possible to form a film over a large area.
このような構成および作用を有するプラズマ付
着装置は、各種材料の薄膜を形成するのに極めて
すぐれた効果をもつことは特願昭55―57877号に
おいて述べた通りである。 As stated in Japanese Patent Application No. 57877-1987, a plasma deposition apparatus having such a configuration and operation has an extremely excellent effect in forming thin films of various materials.
しかしながら、その後の検討により、次のよう
な問題点を解決すればより一層の効果を発揮する
ことが明らかになつた。すなわち、
(1) プラズマ生成室1に導入するガスの種類、ガ
ス圧あるいは導入するマイクロ波電力によつ
て、マイクロ波空胴共振器の条件を満たすプラ
ズマ生成室の寸法が若干ずれる場合がある。 However, subsequent studies revealed that even greater effects could be achieved if the following problems were resolved. That is, (1) Depending on the type of gas introduced into the plasma generation chamber 1, the gas pressure, or the microwave power introduced, the dimensions of the plasma generation chamber that satisfy the conditions of the microwave cavity resonator may vary slightly.
(2) 膜形成反応に熱エネルギーを利用しない場合
でも、プラズマの加熱作用によつて試料基板の
温度が150℃〜200℃程度に上昇し、耐熱性が著
しく小さい試料基板に対しては適用できない場
合がある。(2) Even when thermal energy is not used for the film-forming reaction, the temperature of the sample substrate rises to about 150℃ to 200℃ due to the heating effect of the plasma, and it cannot be applied to sample substrates with extremely low heat resistance. There are cases.
(3) 発散磁界の構成において、プラズマの生成効
率、引出し効率、プラズマ流の均一性を高める
とともに、付着領域を用途に応じて変化させる
必要が生じる場合がある。(3) In the configuration of the divergent magnetic field, it may be necessary to improve plasma generation efficiency, extraction efficiency, and uniformity of plasma flow, and to change the attachment area depending on the application.
そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解決
することのできるプラズマ低温付着装置を提供す
ることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a plasma low temperature deposition apparatus that can solve the above-mentioned problems.
そのために、本発明では、プラズマ引出し窓を
有する端面板を可動構造とし、磁気コイルの周辺
に高透磁率材料を配設する構造にすることによ
り、活性度の高いプラズマを安定に効率的に生成
し、引出して、熱エネルギーの助けを借りずにプ
ラズマの作用によつてのみ高品質の薄膜を形成で
きるようにし、さらに試料台に冷却機構を設けて
耐熱性の著しく低い試料基板に対しても高品質膜
を能率よく形成できるようにする。 To this end, in the present invention, highly active plasma is stably and efficiently generated by making the end plate with the plasma extraction window a movable structure and arranging a high magnetic permeability material around the magnetic coil. It is possible to form a high-quality thin film only by the action of plasma without the aid of thermal energy, and by installing a cooling mechanism on the sample stage, it can be used even for sample substrates with extremely low heat resistance. To efficiently form a high quality film.
以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第2図は本発明によるプラズマ低温付着装置の
構成の一例を示す。ここでは、第1図示の装置の
うちの上部半分に相当する部分を詳細に示す。第
2図において、プラズマ引出し窓9を有する端面
板14は、プラズマ生成室1を構成する円筒15
の内面に軽く接触した状態で、図において上下に
移動できるようにする。プラズマ生成室1を構成
する円筒15の最下端部にはねじ(図示せず)を
取付け、そのねじによつてプラズマ生成室1を構
成する円筒15の上下寸法を調整可能にする。 FIG. 2 shows an example of the configuration of a plasma low temperature deposition apparatus according to the present invention. Here, a portion corresponding to the upper half of the apparatus shown in the first figure is shown in detail. In FIG. 2, an end plate 14 having a plasma extraction window 9 is connected to a cylinder 15 constituting the plasma generation chamber 1.
It should be possible to move up and down in the figure while lightly touching the inner surface of the A screw (not shown) is attached to the lowermost end of the cylinder 15 constituting the plasma generation chamber 1, and the vertical dimensions of the cylinder 15 constituting the plasma generation chamber 1 can be adjusted by the screw.
さらに、端面板14と円筒15の内面との間の
接触部で、マイクロ波による電界によつて異常放
電を生じてプラズマ生成に悪影響を及ぼしたり、
マイクロ波電力の無駄な消費を生じないように、
マイクロ波立体回路における公知のチヨーク構造
を端面板14に設ける。すなわち、プラズマ生成
室1内に励起されるマイクロ波の波長λgにに対
し、λg/4の長さの折り返し溝16を有する構
造を端面板14に形成する。このようにして、プ
ラズマ生成室1が種々のプラズマ生成条件のすべ
てに対して、マイクロ波空胴共振器として最適な
効率をもつて動作し得るようにする。また、矩形
導波管4を伝播してきたマイクロ波をプラズマ生
成室1における空胴共振モードに効率よく変換す
る必要があるが、これについては、マイクロ波導
入窓3の部分に絞り(アイリス)構造17を取付
け、インピーダンスの整合を図るようにする。 Furthermore, abnormal discharge may occur at the contact portion between the end plate 14 and the inner surface of the cylinder 15 due to the electric field caused by the microwave, which may adversely affect plasma generation.
To avoid unnecessary consumption of microwave power,
A known chiyoke structure in microwave three-dimensional circuits is provided on the end plate 14. That is, a structure having folded grooves 16 having a length of λg/4 for the wavelength λg of the microwave excited in the plasma generation chamber 1 is formed in the end plate 14. In this way, the plasma generation chamber 1 can operate with optimum efficiency as a microwave cavity resonator under all various plasma generation conditions. In addition, it is necessary to efficiently convert the microwaves propagated through the rectangular waveguide 4 into a cavity resonance mode in the plasma generation chamber 1, but this is achieved by an iris structure in the microwave introduction window 3. 17 to match the impedance.
空胴共振によつて強められたマイクロ波電界を
プラズマに能率よく吸収させるためには、電子サ
イクロトロン共鳴条件に重要な磁界分布を補正し
てプラズマ生成室1内の上部領域を均一な磁界と
することが必要である。そのために、本例では、
マイクロ波導入窓3の上部に高透磁率材料、例え
ば軟鉄の環状部材18を配置する。ここでは、環
状部材18として、矩形導波管4の断面外形と同
形状の矩形開口をあけた直径15cm、厚さ3cmの円
板を用いて、この環状部材18を矩形導波管4に
貫入させる。 In order to efficiently absorb the microwave electric field strengthened by cavity resonance into the plasma, the magnetic field distribution, which is important for electron cyclotron resonance conditions, is corrected to create a uniform magnetic field in the upper region of the plasma generation chamber 1. It is necessary. To that end, in this example,
An annular member 18 made of a high magnetic permeability material, for example soft iron, is placed above the microwave introduction window 3. Here, a circular plate 15 cm in diameter and 3 cm thick with a rectangular opening having the same cross-sectional shape as the rectangular waveguide 4 is used as the annular member 18, and this annular member 18 is inserted into the rectangular waveguide 4. let
さらに、磁気コイル13の効率的使用およびプ
ラズマ引出しの点から重要な発散磁界の分布を調
整するために、磁気コイル13の周囲および上部
を覆う高透磁率材料による外匣19を配置する。
第1図に示した磁気コイル13は装置製作上の都
合により2つに分割されているが、第2図のよう
に単一の磁気コイル13を用いても差しつかえな
い。第3図は高透磁率材料製外匣19を配置した
場合の磁力線の様子を示す。このような構成を用
いることにより、装置外部に不要な磁界が漏れる
のを防止できるのみならず、磁気コイル13で消
費される直流電力を軽減することができる。 Furthermore, in order to adjust the distribution of the divergent magnetic field, which is important from the point of view of efficient use of the magnetic coil 13 and plasma extraction, an outer casing 19 made of a high magnetic permeability material is placed around and over the magnetic coil 13.
Although the magnetic coil 13 shown in FIG. 1 is divided into two parts for convenience in manufacturing the device, it is also possible to use a single magnetic coil 13 as shown in FIG. 2. FIG. 3 shows the state of the magnetic lines of force when the outer case 19 made of a high magnetic permeability material is placed. By using such a configuration, it is possible not only to prevent unnecessary magnetic fields from leaking to the outside of the device, but also to reduce the DC power consumed by the magnetic coil 13.
第4図に示す本発明の他の例では、磁気コイル
13の周辺から試料室2の周囲にまで延在する高
透磁率材料製外匣19Aを配置し、その配置およ
びその形状を適切に定めることによつて発散磁界
の分布を調整し、以て磁力線の末端部が磁気コイ
ル13の中心軸に対し垂直に近い方向を向くよう
な発散磁界を構成し、同心円環状のプラズマ引出
し窓9Aを用い、試料11を円筒状試料台20A
の円筒内面部に配列する。これによれば、多数枚
の試料11に同時に膜を形成できる。このような
場合、試料面が垂直に近いため、試料面への塵埃
の落下による欠陥の発生を軽減できる。 In another example of the present invention shown in FIG. 4, an outer casing 19A made of a high magnetic permeability material is arranged extending from the periphery of the magnetic coil 13 to the periphery of the sample chamber 2, and its arrangement and shape are determined appropriately. By adjusting the distribution of the divergent magnetic field, a divergent magnetic field is constructed such that the end portions of the magnetic lines of force are oriented in a direction close to perpendicular to the central axis of the magnetic coil 13, and the concentric annular plasma extraction window 9A is used. , the sample 11 is placed on the cylindrical sample stage 20A.
Arranged on the inner surface of the cylinder. According to this, films can be formed on a large number of samples 11 at the same time. In such a case, since the sample surface is close to vertical, the occurrence of defects due to dust falling onto the sample surface can be reduced.
なお、試料面への塵埃の落下を防止するために
は、第2図に示した装置構成の天地を逆転した構
成を用いることもできる。ただし、この場合に
は、排気系12は試料室2の側面部に接続するも
のとし、試料台10は、試料を保持可能な試料ホ
ルダの形態に変更することが必要である。 Incidentally, in order to prevent dust from falling onto the sample surface, it is also possible to use a configuration in which the apparatus configuration shown in FIG. 2 is turned upside down. However, in this case, the exhaust system 12 is connected to the side surface of the sample chamber 2, and the sample stage 10 needs to be changed into a sample holder capable of holding a sample.
第2図または第4図に示したように、性能を向
上させた本発明プラズマ付着装置を用いて膜形成
の実験を行つた結果を次に述べる。一例として、
第1ガス導入系6にN2ガスを10c.c./min、第2
ガス導入系7にSiH4ガスを10c.c./min導入し、試
料室2内のガス圧を2×10-4Torrとし、200Wの
マイクロ波電力を供給して窒化シリコン膜を形成
した。試料基板に対して加熱は行わず、逆に放熱
支持具を用いて膜形成中の温度を100℃以下に保
つた。この結果、付着速度が300Å/分であり、
直径20cmの領域で付着の均一性が±5%となり、
さらにシリコン基板上あるいは酸化シリコン基板
上にきわめて付着性のよい膜が得られた。偏光解
析法によつてこの膜の屈折率を測定したところ
2.0であり、このときの耐弗酸性は緩衝弗酸液で
30Å/分以下ときわめてすぐれた値を示した。 The results of a film formation experiment conducted using the plasma deposition apparatus of the present invention with improved performance as shown in FIG. 2 or FIG. 4 will be described below. As an example,
N2 gas is supplied to the first gas introduction system 6 at 10c.c./min, and the second
SiH 4 gas was introduced into the gas introduction system 7 at 10 c.c./min, the gas pressure in the sample chamber 2 was set to 2×10 -4 Torr, and 200 W of microwave power was supplied to form a silicon nitride film. The sample substrate was not heated; on the contrary, a heat dissipation support was used to maintain the temperature at 100° C. or lower during film formation. As a result, the deposition rate was 300 Å/min,
The uniformity of adhesion is ±5% in an area of 20 cm in diameter,
Furthermore, a film with extremely good adhesion was obtained on a silicon substrate or a silicon oxide substrate. The refractive index of this film was measured using ellipsometry.
2.0, and the hydrofluoric acid resistance at this time is in buffered hydrofluoric acid solution.
It showed an extremely excellent value of less than 30 Å/min.
このように、本発明のプラズマ付着装置では、
付着反応(または膜形成反応)に、従来のように
熱エネルギーの助けを借りる必要がなく、きわめ
て高品質の膜を大面積にわたつて能率よく形成で
きた。 Thus, in the plasma deposition apparatus of the present invention,
The adhesion reaction (or film-forming reaction) does not require the aid of thermal energy as in the past, and extremely high-quality films can be efficiently formed over a large area.
このように、本発明によれば、膜形成反応に関
しては試料基板を加熱する必要がないので、試料
台20に従来の加熱機構の代わりに冷却機構を設
けることによつて、プラズマの作用によつて結果
的に生じる試料の温度上昇(100〜200℃)を防止
することができる。冷却機構を設けた試料台20
を用いることによつて、長時間にわたつて安定に
試料基板を100℃以下ときわめて低温に保つた状
態で膜を形成できる。試料台20の冷却機構とし
ては通常の水冷または空冷方式を用いることがで
きる。 As described above, according to the present invention, there is no need to heat the sample substrate for the film formation reaction, so by providing the sample stage 20 with a cooling mechanism instead of the conventional heating mechanism, the film formation reaction can be performed by the action of plasma. This makes it possible to prevent the resulting rise in temperature of the sample (100 to 200°C). Sample stage 20 equipped with a cooling mechanism
By using this method, a film can be stably formed over a long period of time while keeping the sample substrate at an extremely low temperature of 100°C or less. As a cooling mechanism for the sample stage 20, a normal water cooling or air cooling method can be used.
このような冷却機構を設けた試料台を用いるこ
とにより、耐熱性の著しく低い材料、例えばレジ
ストパタンを有する半導体基板上への膜の付着、
耐熱性の低い各種化合物半導体、超電導材料、さ
らにはプラスチツクなど各種基板への高品質膜の
形成が可能になつた。特に、レジストパタン上へ
の高品質の膜形成は半導体デバイス製造技術の分
野で公知のリフトオフ技術に適用できるので、そ
の応用の範囲はきわめて広く、かつ重要である。 By using a sample stage equipped with such a cooling mechanism, it is possible to deposit a film onto a material with extremely low heat resistance, such as a semiconductor substrate with a resist pattern.
It has become possible to form high-quality films on various substrates such as various compound semiconductors with low heat resistance, superconducting materials, and even plastics. In particular, since the formation of a high-quality film on a resist pattern can be applied to a lift-off technique known in the field of semiconductor device manufacturing technology, the scope of its application is extremely wide and important.
以上説明したように、本発明によれば、プラズ
マ生成室のマイクロ波空胴共振器構成を一層効率
的に作動させ、マイクロ波による電子サイクロト
ロン共鳴放電およびプラズマの引出しに重要な発
散磁界の分布構成を向上させたので、活性度の高
いプラズマを大量に発生させ、大面積にわたつて
反応効果を高めて試料に照射できるようになり、
熱エネルギーの助けを借りずに、プラズマの作用
のみによつて高品質の膜を形成することができ
る。さらにまた、本発明では、冷却機構を設けた
試料台を用いることにより、耐熱性の著しく低い
試料基板に対しても高品質の膜を生産性よく形成
できる。 As explained above, according to the present invention, the microwave cavity structure of the plasma generation chamber can be operated more efficiently, and the distribution structure of the diverging magnetic field, which is important for electron cyclotron resonance discharge and plasma extraction by microwaves, can be made more efficient. As a result, it is now possible to generate a large amount of highly active plasma and irradiate the sample over a large area with enhanced reaction effects.
High quality films can be formed solely by the action of plasma without the aid of thermal energy. Furthermore, in the present invention, by using a sample stage equipped with a cooling mechanism, a high-quality film can be formed with good productivity even on a sample substrate with extremely low heat resistance.
なお、以上では、膜形成の材料として窒化シリ
コンSi3N4の場合を主として説明してきたが、シ
リコンSi、酸化シリコンSiO2、モリブデンシリ
サイドMoSi2、モリブデンMo、アルミニウムAl
など各種材料により膜を形成する場合にも本発明
を適できることは明らかである。 Note that although silicon nitride Si 3 N 4 has been mainly explained as the material for film formation, silicon Si, silicon oxide SiO 2 , molybdenum silicide MoSi 2 , molybdenum Mo, aluminum Al
It is clear that the present invention can also be applied to cases in which films are formed from various materials such as the following.
第1図は本発明者の先の提案に係るプラズマ付
着装置の基本構成を示す断面図、第2図は本発明
プラズマ付着装置の一実施例を示す断面図、第3
図はその磁力線の状態の説明図、第4図は本発明
の他の実施例を示す断面図である。
1…プラズマ生成室、2…試料室、3…マイク
ロ波導入窓、4…マイクロ波矩形導波管、5…給
排水口、6…第1ガス導入系、7…第2ガス導入
系、8…プラズマ流、9…プラズマ引出し窓、1
0…試料台、11…試料基板、12…排気系、1
3…磁気コイル、14…可動端面板、15…円
筒、16…チヨーク構造の折返し溝、17…絞り
(アイリス)、18…高透磁率材料製環状部材、1
9…高透磁率材料製外匣、20…冷却試料台。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic configuration of a plasma deposition apparatus proposed earlier by the present inventor, FIG. 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of the plasma deposition apparatus of the present invention, and FIG.
The figure is an explanatory diagram of the state of the lines of magnetic force, and FIG. 4 is a sectional view showing another embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Plasma generation chamber, 2... Sample chamber, 3... Microwave introduction window, 4... Microwave rectangular waveguide, 5... Water supply and drainage port, 6... First gas introduction system, 7... Second gas introduction system, 8... Plasma flow, 9...Plasma drawer window, 1
0...sample stage, 11...sample substrate, 12...exhaust system, 1
3...Magnetic coil, 14...Movable end plate, 15...Cylinder, 16...Folding groove with chiyoke structure, 17...Aperture (iris), 18...Annular member made of high magnetic permeability material, 1
9... Outer box made of high magnetic permeability material, 20... Cooling sample stand.
Claims (1)
設けた試料室とを有し、前記プラズマ生成室にプ
ラズマ原料とマイクロ波電力を導いてプラズマを
発生させ、前記プラズマ生成室には、そのプラズ
マをプラズマ流として前記試料室に引出すための
プラズマ引出し窓を有する端面板を設け、前記プ
ラズマ生成室の外周には磁気回路を配設し、該磁
気回路により、前記プラズマ生成室内においては
プラズマ生成効率を高めるのに必要な強度の磁束
密度を形成するとともに、前記試料室内において
は前記プラズマ生成室から前記試料室内の前記試
料台に向けて磁束密度強度が適当な勾配で弱くな
る発散磁界を形成するようにしたプラズマ付着装
置において、前記プラズマ生成室は、プラズマ生
成用に導入されるマイクロ波電力に対して空胴共
振器の構造をなし、かつ前記プラズマ引出し窓を
有する前記端面板はマイクロ波の空胴共振状態を
調整できるように可動構造としたことを特徴とす
るプラズマ低温付着装置。 2 特許請求の範囲第1項記載のプラズマ低温付
着装置において、前記試料台は冷却機構を有する
ことを特徴とするプラズマ低温付着装置。 3 特許請求の範囲第1項または第2項に記載の
プラズマ低温付着装置において、前記磁気回路
は、プラズマ生成用およびプラズマ引出し用の発
散磁界を形成するための磁気コイルを有し、該磁
気コイルの周辺に高透磁率材料を配置し、該高透
磁率材料の配置および形状によつて前記プラズマ
生成室および前記試料室内の磁界分布を調整可能
としたことを特徴とするプラズマ低温付着装置。[Scope of Claims] 1. A plasma generating chamber comprising a plasma generation chamber and a sample chamber provided with a sample stage on which a sample is placed; plasma raw material and microwave power are introduced into the plasma generation chamber to generate plasma; The generation chamber is provided with an end plate having a plasma extraction window for drawing the plasma into the sample chamber as a plasma flow, and a magnetic circuit is disposed around the outer periphery of the plasma generation chamber, and the magnetic circuit allows the plasma to be drawn out into the sample chamber. In the generation chamber, a magnetic flux density of a strength necessary to increase plasma generation efficiency is formed, and in the sample chamber, the magnetic flux density intensity is maintained at an appropriate gradient from the plasma generation chamber to the sample stage in the sample chamber. In the plasma deposition apparatus configured to form a diverging magnetic field that becomes weaker, the plasma generation chamber has a cavity resonator structure for microwave power introduced for plasma generation, and has the plasma extraction window. A plasma low-temperature deposition apparatus characterized in that the end plate has a movable structure so as to adjust the microwave cavity resonance state. 2. The plasma low temperature deposition apparatus according to claim 1, wherein the sample stage has a cooling mechanism. 3. In the plasma low-temperature deposition apparatus according to claim 1 or 2, the magnetic circuit has a magnetic coil for forming a divergent magnetic field for plasma generation and plasma extraction, and the magnetic coil A low-temperature plasma deposition apparatus characterized in that a high magnetic permeability material is arranged around the plasma generating chamber and the sample chamber, and the magnetic field distribution in the plasma generation chamber and the sample chamber can be adjusted by the arrangement and shape of the high magnetic permeability material.
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Family Applications (1)
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