JP2000277295A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ波励起のプラズマ処理装置で、誘電
体窓の表面でのスパッタリングによるディンプル発生を
抑制して、かつ、良好な広がりのあるプラズマを生成し
て、被処理物に処理を施すことができるプラズマ処理装
置。 【解決手段】 マイクロ波を伝達する導波管３の底部
に、真空チャンバ１内に貫通する同軸変換アンテナ４の
金属棒１２を誘電体窓２に埋設して設け、かつ、金属棒
１２の真空チャンバ１内への突出部の長さはマイクロ波
の波長の１／２以下に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子および
液晶表示装置等の製造等におけるエッチングやアッシン
グに用いられるマイクロ波励起のプラズマ処理装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波によるプラズマ処理は、プラ
ズマの励起効率が高く処理速度が速いので、半導体素子
や液晶表示素子等を製造する際のエッチング処理やアッ
シング処理あるいはプラズマ酸化処理等のプラズマ処理
装置に多く用いられている。

【０００３】これらの処理に用いられているマイクロ波
励起のプラズマ処理装置の構造は、通常、図５に示すよ
うに、真空チャンバ３１の上部に真空封止する誘電体部
材である誘電体窓３２が設けられ、この誘電体窓３２の
上部に、この誘電体窓３２に対向してマイクロ波を導入
するための、断面が矩形状の導波管３３の終端部が配置
されている。

【０００４】真空チャンバ３１は、上部にプラズマ生成
室３５が設けられ、このプラズマ生成室３５の下方に被
処理物を処理する処理室３６が形成されている。

【０００５】また、導波管３３には誘電体窓３２を通し
て処理室３６の内部のホルダー３８上に載置された被処
理物である基板３７のプラズマ生成膜にマイクロ波を導
入するために、導波管３３の内部を進行するマイクロ波
の電界方向に垂直な面（Ｈ面）に、マイクロ波を放射す
るための、例えば特開平９−１２９６１３号公報に開示
されているような（図６に示す）スリット状開口部（ス
ロットアンテナ）４０もしくは、同軸変換アンテナが４
４設けられている。

【０００６】なお、スリット開口部４０は図６に示すよ
うに、導波管３３の端部の真空チャンバ３１の上部に相
当する位置のＨ面の両側部に、幅が反射面（Ｒ面）に向
かって階段状に狭くなるように変化した２本のスリット
状開口部４０ａ、４０ｂが設けられている構造で、この
スリット状開口部４０ａ、４０ｂから放射されたマイク
ロ波を真空封止用でマイクロ液透過用の誘電体窓３２内
を表面波として伝播させ、プラズマ生成室３５でプラズ
マを生成させている。

【０００７】一方、同軸変換アンテナの構造は図７に示
すように、中心が金属棒５２でその周辺部は誘電体（例
えば石英）で構成され誘電体窓３２で、さらにその外周
壁は導波管３３の開口部５３に対して、金属電極５４が
挿入されて同軸線路を構成している。この場合、同軸線
路内を伝播するマイクロ波は、この同軸線路の外周壁を
構成している金属電極５４と、同軸変換アンテナの中心
を構成している金属棒５２との間に電界を発生して伝播
し、プラズマ生成室３５でプラズマを生成させている
が、特に金属棒５２についてプラズマ生成室３５の内部
への突出部分の長さは規定されていなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
スリット状開口部を用いた場合には、各スリット状開口
部から放射されたマイクロ波は、真空封止用でかつマイ
クロ波透過用の誘電体窓の内部を表面波として伝播す
る。そのため、誘電体と真空の界面で電場、磁場は強
く、プラズマが発生する領域が局在化する。その結果、
高密度なプラズマが発生し、電場により電子が加速さ
れ、誘電体部材（ここでは誘電体窓）に衝突する。この
衝突により電子はエネルギーを失って消滅する。その際
に、プラズマは電気的中性を保つよう誘電体部材（誘電
体窓）の表面に自己バイアスを生成する。その結果、自
己バイアスによりイオンが引き寄せられ、局部的なスパ
ッタリングを生じ、それによって、誘電体窓の表面に、
ほぼ円形状で直径が数ｍｍ程度の穴状の削れ（以下ディ
ンプルと言う）が発生する。そのため、誘電体窓の寿命
が短くなってしまう。

【０００９】一方、円筒形の同軸変換アンテナを用いた
場合は、マイクロ波はプラズマ生成室内へ導入される
と、同軸線路の外周壁（金属）が存在しなくなるなめ、
プラズマ生成室内へ放射される。このとき、同軸線路の
外周壁が存在しない部分の長さがマイクロ波の１／２波
長を越えるとマイクロ波は、伝播モードが表面波モード
に変換され、同軸線路の誘電体（誘電体窓）内を伝播す
る。表面波モードになるとマイクロ波は誘電体と真空と
の界面で最も密度が高く、界面から離れるに従い密度が
薄くなってしまう。そのため、スロットアンテナの場合
と同様に、生成されたプラズマは誘電体窓の表面で局所
的に自己バイアスを生成する。その結果、自己バイアス
によりイオンが引き寄せられ、局部的なスパッタリング
を生じ、それによって、誘電体窓の表面に穴状のディン
プルが発生する。そのため、誘電体窓の寿命が短くなっ
てしまう。

【００１０】本発明は、これらの事情に基づいて成され
たもので、マイクロ波励起のプラズマ処理装置におい
て、誘電体窓の表面でのスパッタリングによるディンプ
ル発生を抑制して、かつ、良好で広がりのあるプラズマ
を生成して、被処理物に処理を施すことができる処理装
置を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、導波管内を進行したマイクロ波を誘電体窓
から透過させ、この誘電体窓により真空封止された真空
チャンバ内のガスをプラズマ化して前記真空チャンバ内
の被処理物に処理を施すプラズマ処理装置において、前
記導波管の底部には前記真空チャンバ内に貫通する金属
棒であるアンテナが前記誘電体部材に覆われるように設
けられ、かつ、前記金属棒の前記真空チャンバ内への突
出部の長さは前記マイクロ波の波長の１／２以下である
ことを特徴とするプラズマ処理装置である。

【００１２】また請求項２の発明による手段によれば、
前記アンテナの誘電体部材は、径がＴＥＭ波のみを伝送
可能な直径に設定されていることを特徴とするプラズマ
処理装置である。

【００１３】また請求項３の発明による手段によれば、
前記アンテナは、前記金属棒の前記真空チャンバ内への
突出部が全て前記誘電体部材に覆われていることを特徴
とするプラズマ処理装置である。

【００１４】また請求項４の発明による手段によれば、
前記アンテナは、前記誘電体部材の前記導波管側の外側
にアルミ電極が設けられていることを特徴とするプラズ
マ処理装置である。

【００１５】また請求項５の発明による手段によれば、
前記誘電体部材は、石英で形成されていることを特徴と
するプラズマ処理装置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１７】図１は本発明のマイクロ波励起のプラズマ
処理装置の要部の構成を示す概略図である。

【００１８】図１に示すように、プラズマ処理装置は真
空チャンバ１の上部に誘電体部材である誘電体窓２が設
けられ、この誘電体窓２の上部にこの誘電体窓２を保持
して、真空チャンバ１内にマイクロ波を導入するための
断面が矩形状の導波管３の終端部が配置されている。

【００１９】導波管３は、マイクロ波の電界方向に垂直
な面（Ｈ面）と、このＨ面に対して垂直方向に伸びるマ
イクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ面）と、マイクロ波
導入側と反対側にＨ面およびＥ面に対して垂直に設けら
れたマイクロ波を反射する反射面（Ｒ面）とを有してお
り、後述する同軸変換アンテナ４は、Ｈ面の中心部に設
けられている。

【００２０】真空チャンバ１は、内部の上方にプラズマ
生成室５が設けられ、このプラズマ生成室５の下方に処
理室６が形成されている。この処理室６には被処理物で
ある基板７を載置するホルダー８が配置されている。ホ
ルダー８は図示しないＲＦバイアス、Ｈｅ冷却機構を備
え、それらには同様に図示しないＲＦ発振器、およびチ
ラー（冷却手段）が連結されている。また、ガス供給管
９は、真空チャンバ１上部のプラズマ生成室５の側壁に
形成されており、ガス排気管１０は処理室６が形成され
た真空チャンバ１の底部に取り付けられ、かつ、ガス排
気管１０の他端には真空ポンプ等の排気系（図示せず）
が連結されている。

【００２１】また、導波管３の終端部から誘電体窓２を
通してホルダー８上の基板７のプラズマ生成膜にマイク
ロ波を導入するために、導波管３の内部を進行するマイ
クロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）に設けられた円形
の開口部１１に、同軸変換アンテナ４が設けられてい
る。

【００２２】この同軸変換アンテナ４の構造は図２に示
すように、同心状の構造で中心部が金属棒１２でその周
辺部は誘電体窓２（例えば、石英、アルミナ、窒化アル
ミ）で構成され、さらにその外側にアルミ電極１３が設
けられ真空チャンバ１の金属製の内壁と接続して同軸線
路を形成している。なお、アルミ電極１３は独立して設
けなくても、導波管３の底部３ａの板厚を所定の厚さに
して、同様な機能を持たせてもよい。

【００２３】また、金属棒１２の軸方向の長さはマイク
ロ波の半（１／２）波長以下に設定されており、その先
端は誘電体窓２の中に埋設されている。したがって、真
空処理室６の内部では金属棒１２は露出せず誘電体窓２
に覆われている。これらの構造により、同軸線路内を伝
播するマイクロ波は同軸線路のアルミ電極１３と、中心
アンテナである金属棒１２との間に電界を発生して伝播
し、プラズマ生成室５でプラズマを生成させている。

【００２４】次に、これらのマイクロ波励起のプラズマ
処理装置により、レジストパターンがが表面に形成され
た被処理物である基板７をエッチングする方法について
説明する。

【００２５】まず、真空チャンバ１の処理室６内のホル
ダー８上にレジストパターンが表面に形成された基板７
を載置する。図示しない真空ポンプを作動させて真空チ
ャンバ１の内部の残留しているガスをガス排気管１０を
通して排気する。続いて、エッチング処理に用いる処理
ガスである例えば、酸素ガスと四フッ化炭素との混合ガ
スを、ガス供給管９を通して真空チャンバ１の上部のプ
ラズマ生成室５に供給する。真空チャンバ１の内部が所
定の圧力になつた時点で、図示しないマイクロ波源から
マイクロ波を導波管３に導入する。

【００２６】この場合、図３（ａ）に示すように、従来
用いられているように、同軸変換アンテナ４の金属棒１
２ａの長さがマイクロ波の半波長を越える場合には、図
３（ａ）と（ｂ）に示すように、金属棒１２ａの長さが
マイクロ波の波長の１／２を越えた領域で１／２以内の
領域と比較して磁場と電場の密度が疎になる。そのた
め、伝播するマイクロ波は、表面波モードに変換され、
同軸アンテナ周辺の誘電体窓２の近傍で電磁界強度が最
大となり。高密度なプラズマが生成される。このため誘
電体窓２の表面に衝突する電子が多くなり、誘電体窓２
の表面にディンプルが発生する。

【００２７】本実施の形態の同軸変換アンテナ４では、
図２に示したように、同軸アンテナの金属棒１２の長さ
をマイクロ波の半波長以下に、また、径方向の寸法はＴ
ＥＭモードのみ伝播するように設定してある。

【００２８】すなわち、この構造における電場と磁場の
発生状態を説明すると、図４（ａ）および（ｂ）に示す
ように、同軸変換アンテナ４の金属棒１２の長さがマイ
クロ波の波長の１／２以内であるので、金属棒１２の全
長に亘って、磁場と電場の密度はいずれの箇所でもほぼ
均等性が保たれる。

【００２９】また、径方向の寸法は、アルミ電極１３の
半径をｂ、金属棒１２の半径をａとしてその遮断周波長
をλｃとすると、 λｃ＝π（ａ＋ｂ） で表される。そして、λｃ＜π（ａ＋ｂ）の場合は高次
モードが発生する。

【００３０】例えば、ａ＝７．５ｍｍで、ｂ＝２５ｍｍ
の場合、λｃ＝π（７．５＋２５）＝１０２ｍｍとな
り、この場合、１０２ｍｍ以下の波長の電磁波では高次
モードが発生する。

【００３１】本実施の形態で用いた２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波では、その波長が１２２ｍｍとなるので、ＴＥ
Ｍモードのみ伝播することができる。

【００３２】そのため、マイクロ波の基本モードである
ＴＥＭモードは変換されず、プラズマは誘電体窓２の近
傍だけでなく空間的な広がりを持つて広がる。そのた
め、誘電体窓２の表面へ衝突する電子は少なくなり、誘
電体窓２にディンプルが発生するのを防止できる。な
お、図４（ｃ）は、発生した磁場の状況を上面から見た
図である。

【００３３】これらにより、広がりを持ってプラズマ生
成室５に発生したプラズマにより、発生したプラズマ中
の活性ガスが、処理室６の内部のホルダー８の上に載置
された基板７の表面の膜と反応することエッチングを行
こなうことにより、良好なエッチング処理を施すことが
できる。

【００３４】上述の構成により、本発明では誘電体窓２
を介して導波管３のＨ面の中心に取付けられた同軸変換
アンテナ４をプラズマ生成室５の内部まで貫通させ、同
軸変換アンテナ４はマイクロ波の基本モードであるＴＥ
Ｍモードのみを伝播できる径に形成し、かつ、プラズマ
生成室５内に突出させた同軸変換アンテナ４の長さをマ
イクロ波の１／２波長以下にしたので、プラズマ生成室
５内に突出した同軸変換アンテナ４内ではＴＥＭモード
のマイクロ波が伝播し、表面波モードに変換することを
防止できる。

【００３５】それにより、プラズマ生成室５で生成され
たプラズマは、局部的に閉じ込められることなく空間に
広がって生成できる。その結果、誘電体窓２の表面の自
己バイアスが低下し、誘電体窓２へのスパッタリング効
果が減少し、誘電体窓２の表面へのディンプルの発生を
抑制できて誘電体窓２の寿命を長くすることが可能にな
った。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、同軸
変換アンテナを導波管からプラズマ生成室まで貫通させ
るとともに突出させ、その長さをマイクロ波の半波長以
下に設定したので、誘電体窓のディンブルの発生を抑制
でき、誘電体窓の長寿命化が実現できる。

【００３７】また、長寿命化した誘電体窓を搭載したプ
ラズマ処理装置は、誘電体窓の交換頻度が長くなるの
で、生産性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロ波励起のプラズマ処理装置の
要部の構成を示す概略図。

【図２】本発明の同軸変換アンテナの構成を示す断面側
面図。

【図３】（ａ）従来の同軸変換アンテナでの電場の発生
状況を示す説明図、（ｂ）同磁場の発生状況を示す説明
図。

【図４】（ａ）本発明の同軸変換アンテナでの電場の発
生状況を示す説明図、（ｂ）同磁場の発生状況を示す説
明図、（ｃ）同平面図。

【図５】従来のマイクロ波励起のプラズマ処理装置の要
部の構成を示す概略図。

【図６】スロットアンテナの斜視図。

【図７】従来の同軸変換アンテナの構成を示す断面側面
図。

【符号の説明】

１…真空チャンバ、２誘電体窓、３導波管、４同軸変換
アンテナ、５プラズマ生成室、６処理室、１２金属棒、
１３アルミ電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波管内を進行したマイクロ波を誘電体
   窓から透過させ、この誘電体窓により真空封止された真
   空チャンバ内のガスをプラズマ化して前記真空チャンバ
   内の被処理物に処理を施すプラズマ処理装置において、 前記導波管の底部には前記真空チャンバ内に貫通する金
   属棒であるアンテナが前記誘電体部材に覆われるように
   設けられ、かつ、前記金属棒の前記真空チャンバ内への
   突出部の長さは前記マイクロ波の波長の１／２以下であ
   ることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記アンテナの誘電体部材は、径がＴＥ
   Ｍ波のみを伝送可能な直径に設定されていることを特徴
   とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記アンテナは、前記金属棒の前記真空
   チャンバ内への突出部が全て前記誘電体部材に覆われて
   いることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装
   置。
4. 【請求項４】 前記アンテナは、前記誘電体部材の前記
   導波管側の外側にアルミ電極が設けられていることを特
   徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 前記誘電体部材は、石英で形成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。