JP2000331998A

JP2000331998A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2000331998A
Application number: JP11141732A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Kazumi; 秀之数見; Muneo Furuse; 宗雄古瀬; Masamichi Sakaguchi; 正道坂口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】広いパワー領域で均一なプラズマを実現す
る。【解決手段】プラズマ処理装置は、金属製容器２０の
内側にプラズマ処理室２６が設けられ、このプラズマ処
理室２６に被処理物２７が設置されている。またプラズ
マ処理室２６には、マイクロ波３２が導入され、コイル
３１によって磁場が形成される。そして磁場とマイクロ
波との相互作用によってプラズマが発生する。このよう
なプラズマ処理装置において、誘電体からなる円錐台形
状の真空容器２３を設け、真空容器２３内にプラズマ処
理室２６を形成する。真空容器２３の上面２３Ａは金属
製容器２０内上部の横断面積Ａ１よりも小さく、金属製
容器２０と真空容器２３との間には空隙部２５が形成さ
れる。これにより、空隙部２５を介してもマイクロ波が
導入されるようになる。

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装置に
係り、特に、プラズマを利用して被処理物に対してエッ
チング、ＣＶＤ、アッシング等の処理を行うプラズマ処
理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、マイクロ波と磁場とによって
電子サイクロトロン共鳴（ElectronCyclotron Resonanc
e）を起こさせて、プラズマを発生させるプラズマ発生
方式（以下、ＥＣＲ方式という）が知られている。この
ＥＣＲ方式を用いたプラズマ処理装置は、低ガス圧で高
密度プラズマを生成できることから、半導体処理工程で
多く利用されている。そして、半導体デバイス集積度が
増加するにつれ、加工する被処理物であるウエハ径の拡
大、回路パターンの微細化が進んでおり、次世代では、
特に大面積のウエハ（φ３００）を加工する必要があ
り、大面積均一プラズマ密度を実現できるプラズマ処理
装置が求められている。

【０００３】従来のプラズマ処理装置としては、図６に
示すような空洞共振器型のプラズマ処理装置がある。こ
のプラズマ処理装置では、マイクロ波を発生するマイク
ロ波発生源１が設けられ、発生したマイクロ波２は導波
管３を介して空洞共振部４へ導入される。空洞共振部４
ではマイクロ波２を大気中で共振させてプラズマ処理室
５へ導入する。プラズマ処理室５と空洞共振部４との間
には、プラズマ処理室５内を大気から分離して真空に封
止するとともにマイクロ波２を通過させる導入窓（誘電
体）６が設けられている。また、プラズマ処理室５内に
磁場７を形成するためのコイル８と、プラズマ処理室５
内にガスを供給するためのガス供給部９が設けられてい
る。そして、プラズマ処理室５内ではマイクロ波２と磁
場７との相互作用によってプラズマを発生させ、内部に
設置された被処理物１０に対して処理を行うことができ
るようになっている。

【０００４】また、スリットアンテナを導入窓上面に設
けたタイプのプラズマ処理装置もある。このスリットア
ンテナには複数のスリットが形成され、各スリットがマ
イクロ波の電界と直交するようスリットアンテナを設け
ることによって、特定のマイクロ波モードのみを通過さ
せることができる。例えば、ＴＥ₀₁モードを通過させる
場合には、スリットアンテナの中心から放射状にスリッ
トを形成する。その他、スリットの形状を工夫したり、
スリットをスリットアンテナ周辺部に形成したりするこ
とによって、マイクロ波を周辺部から導入することも可
能となっている。

【０００５】さらに、プラズマ処理室を石英で形成する
とともに、上面を半球状のベルジャーとしたプラズマ処
理装置が提案されている（例えば、特開平２−１７４２
２３号公報、特開平３−１０４８８９号公報、特開平３
−１８３７８８号公報、特開平４−３９０号公報および
特開平８−７８３４５号公報など）。また、プラズマ処
理室を石英で形成するとともに円柱形状としたプラズマ
処理装置も提案されている（例えば、特開平５−３３９
７５９号公報など）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】マイクロ波と磁場を用
いてプラズマを発生させるＥＣＲ方式は次のような特徴
を持つ。すなわち、プラズマは一種の損失性（吸収体）
媒質であり、プラズマ中にマイクロ波が入射するとその
波長がプラズマ密度に応じて変化する。その一方でマイ
クロ波はプラズマに吸収されるため、マイクロ波の伝播
特性は、導入されたモードとは大きく異なる。マイクロ
波伝播の特性として、遮断と共鳴の存在が挙げられる。
２.４５ＧＨｚのマイクロ波の場合は、遮断はプラズマ
密度７.５×１０¹⁶／ｍ³（これをカットオフ密度とい
う）で起こり、磁場が存在しない場合は、これ以上密度
の高い所に伝播できない。また外部磁場８７５Gauss 近
傍で、電子サイクロトロン共鳴によって電子に波のエネ
ルギを与え、共鳴吸収される。

【０００７】上記特性に基づいてプラズマ密度分布が変
化する。このプラズマ密度分布の変化を、図６に示した
空洞共振器型のプラズマ処理装置の場合について説明す
る。図７は入射マイクロ波のパワーが低い場合のマイク
ロ波電界強度（単位：任意単位）を、図８は同じく入射
マイクロ波のパワーが低い場合のプラズマ密度分布（単
位：ｍ^~3）をそれぞれ示している。図７および図８共に
ｒ−ｚ断面を等高線で示してある。ここで、ｒはプラズ
マ処理装置の径方向であり、ｚは軸方向である。

【０００８】入射マイクロ波のパワーが小さく、プラズ
マ密度が全体としてカットオフ密度より低い場合、マイ
クロ波はプラズマ中で吸収されながらも下流側の電極部
分にも達し、そこで反射され、上部の空洞共振部もしく
はマイクロ波導入窓でさらに反射され、プラズマ中には
定在波が立つ。この定在波の形は、主としてプラズマ処
理室の高さおよび幅で決まる。プラズマはこの波による
衝突加熱で生成されるとともに、外部磁場が８７５Gaus
s となる領域付近（ＥＣＲ位置という）でＥＣＲ共鳴に
よって生成される。プラズマ中には、先の定在波のモー
ドに加え、ＥＣＲ位置での共鳴による波とを合わせた波
が立つ。この場合、波の強度は基本的には径方向中心部
分が強くなり、その結果、プラズマ密度も中央部が高く
なり、下流にある電極上では、上に凸型のプラズマ密度
分布となる。

【０００９】図９および図１０は上記と同じ体系で入射
マイクロ波のパワーを変化させたときのプラズマ密度分
布（単位：ｍ^~3）を示し、導入窓付近のプラズマ密度
が、図９はカットオフ程度、図１０はカットオフよりも
十分高い場合である。マイクロ波のパワーを上げると、
図９に示すように、径方向の中心部分は先のカットオフ
密度を超えるようになる。この部分で波のエネルギが吸
収される一方、これより下流には伝播し難くなるため、
波は径方向の周辺部を通って下流領域に伝播する。波は
導入窓とＥＣＲ面との間の全面にわたって吸収されるの
で、プラズマは比較的一様に生成され、下流領域でのプ
ラズマ密度は比較的平坦である。よりパワーを上げる
と、図１０に示すように、波は主として導入窓直下で吸
収される。その時、導波管の下部分の電界強度が大きい
ので、プラズマ密度は中心部分で高くなり、上に凸型の
プラズマ密度分布となる。

【００１０】このように、図６に示した空洞共振器型の
プラズマ処理装置においては、マイクロ波の入射パワー
を上げていくと、プラズマ密度分布が凸型→比較的平坦
→凸型と変化してしまい一定にならない。これは、マイ
クロ波の入射位置をプラズマ処理室の上部に限定してい
ることが要因である。

【００１１】また、スリットアンテナを設けたプラズマ
処理装置では、プラズマ中では、誘電率が真空中とは異
なるため、スリットを透過した波だけが必ずしも励振さ
れるとは限らない。そのため、前述の空洞共振器型のプ
ラズマ処理装置の場合と同じようなプラズマ密度分布変
化を示すことになる。しかも、特定のモードのマイクロ
波を外周部から供給して、外周部にリング状のプラズマ
を生成させようとして、スリットを周方向に切ってその
スリットを特定の角度で傾けた場合、カットオフ密度以
下では、波はプラズマを通過して下流まで伝播し、金属
であるスロットアンテナが一方の反射端になるため、ス
ロットアンテナと基板の間に定在波が立つことがある。
その結果、異常放電が起こる恐れがある。

【００１２】さらに、プラズマ処理室を石英からなる半
球状のベルジャーとしたものでは、伝播してきたマイク
ロ波が初めてプラズマに接するのがベルジャーの中心部
分になるため、その部分でプラズマを生成し易く、ま
た、プラズマは容器の形に従うので、中央部での密度が
高くなる。その結果、上に凸型のプラズマ分布となり易
い。また、プラズマ処理室を石英からなる円柱形状にし
たものでは、マイクロ波にとって境界条件が急激に異な
るため通常反射が起こり、処理室と金属容器（導波管）
を伝ってマイクロ波は伝播しない。そのため、プラズマ
を下流領域で生成することが困難となる。

【００１３】以上のように従来のプラズマ処理装置で
は、低パワーから高パワーまでの広いパワー領域でプラ
ズマの均一性を制御することは困難である。

【００１４】本発明の課題は、広いパワー領域で均一な
プラズマを実現することのできるプラズマ処理装置を提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、金属製容器と、該金属製容器の内側に設
けられ、ガスが供給され且つ内部に被処理物が設置され
る処理室と、マイクロ波発生源からのマイクロ波を前記
処理室に導入するマイクロ波導入手段と、前記処理室に
磁場を形成する磁場形成手段とを備え、マイクロ波と磁
場との相互作用によって前記処理室内にプラズマを発生
させるプラズマ処理装置において、上面が平面形状をな
した誘電体の真空容器で前記処理室を形成するととも
に、前記真空容器上面の面積を前記金属製容器内の上部
空間の横断面積よりも小さくし、且つ前記真空容器の下
部の横断面積を上部の横断面積よりも大きくして、前記
金属製容器と前記真空容器との間に空隙部を形成し、前
記空隙部を介してもマイクロ波が導入される構成とした
ことを特徴としている。

【００１６】低密度領域でプラズマ密度が均一となるよ
うに、まず処理室形状を特定する必要があり、また同時
に高密度領域で均一にするためには、マイクロ波を周辺
部からも導入させる必要がある。これらを実現するため
には、マイクロ波の吸収機構である衝突加熱とＥＣＲ共
鳴加熱とを分離して用いることが考えられる。この手段
として、マイクロ波がプラズマに初めて到達する距離
や、またＥＣＲ位置に到達するまでの実効距離を径方向
または高さ方向に変化させればよい。例えば、図５のよ
うに真空容器を誘電体で形成するとともに円錐台形状と
する。円錐台形状の真空容器は、その上面の面積が金属
製容器内の上部空間の横断面積Ａ１より小さく、かつ下
部の横断面積Ａ２が上部の横断面積Ａ３よりも大きい。

【００１７】このように構成すれば、真空容器の横断面
積が高さ方向で変化しているために、マイクロ波が最初
にプラズマに到達するまでの距離およびＥＣＲ面までの
実効距離（プラズマ中ではマイクロ波の波長が短くなる
ため、空隙部を通る時とプラズマ中を通る時では実効距
離が異なる）を、径方向で変化させることができる。こ
のうち前者は主としてマイクロ波分布（衝突加熱）に、
後者はＥＣＲ共鳴加熱分布に関係するため、真空容器を
上記のように構成することによって、２つの加熱機構を
制御することができる。

【００１８】ＥＣＲ位置は、磁場形成手段で動かすこと
によってプラズマ生成位置を高さ方向と径方向で制御す
ることができる。また真空容器が円錐台形状であるた
め、金属製容器と真空容器との間に空隙部の横断面積が
滑らかに変化することになり、マイクロ波の反射を減ら
すことができる。

【００１９】低密度領域では、真空容器がテーパ状に広
がっていることを利用し、ＥＣＲ位置を上側に配置し、
拡散によってプラズマの均一化を図る。高密度領域で
は、真空容器直下で既にカットオフ以上の密度に達して
いるため、マイクロ波は真空容器の中央部を伝播し難
く、真空容器と金属製容器の間の空隙部を伝播する。こ
のように周辺部を伝播するマイクロ波は、プラズマ中に
入ると直ぐにＥＣＲ面に達するので、周辺部にもプラズ
マが生成できることになる。ＥＣＲ上下方向の位置制御
とを合せると、上に凸型または凹型、平坦等のプラズマ
分布制御が可能となる。

【００２０】真空容器は、上記のように円錐台形状だけ
でなく、上部から下部に階段状に広がった形状をなして
いても、上記と同様な作用効果を得ることができる。

【００２１】また、金属製容器と真空容器との間の空隙
部は真空封じされていてもよいし、誘電体が充填されて
いてもよい。

【００２２】さらに、本発明では、前記真空容器の上面
に、該真空容器内へのマイクロ波の入射を制限する金属
板が設置されていることを特徴としている。このように
構成すると、周辺部でのマイクロ波吸収が相対的に強め
られるため、プラズマ分布のより一層の均一化を図るこ
とができるとともに、分布制御がし易くなる。前記金属
板にはスリット開口部が形成されていてもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。（実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１による
プラズマ処理装置の構成を示している。金属製容器２０
の上部には、プラズマ発生源２１に接続された導波管２
２が取り付けられ、また金属製容器２０の内側には、Ａ
ｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等の誘電体で形成された真空容器２３
が設けられている。真空容器２３は円錐台形状をなして
おり、その上面２３Ａが平面上に形成され、かつ上面２
３Ａの面積が金属製容器２０内上部のマイクロ波導入部
２４の横断面積Ａ１よりも小さく設定されている。さら
に、真空容器２３の下部の横断面積Ａ２は上部の横断面
積Ａ３よりも大きくなっており、金属製容器２０の内壁
と真空容器２３の外壁との間には空隙部２５が形成され
ている。なお、空隙部２５は真空に封じされていてもよ
いし、誘電体を詰めてもよい。

【００２４】真空容器２３の内部にはプラズマ処理室２
６が形成され、このプラズマ処理室２６の下部に、被処
理物２７を支持する支持台（電極）２８が設けられてい
る。また、プラズマ処理室２６にはガス導入系２９と排
気系３０が取り付けられ、ガス導入系２９を介してプラ
ズマ処理室２６にガスが導入されるとともに、プラズマ
処理室２６内のガスは排気系３０によって排気される。

【００２５】また、金属製容器２０の外周にはコイル３
１が設置され、このコイル３１に電流を流すことによっ
てプラズマ処理室２６内には磁場が形成されるようにな
っている。

【００２６】上記構成において、マイクロ波発生源２１
で発生したマイクロ波３２は、導波管２２を通って金属
製容器２０内の上部にあるマイクロ波導入部２４に導か
れ、マイクロ波導入部２４から真空容器２３内に導入さ
れる。このとき、金属製容器２０と真空容器２３のテー
パ面２３Ｂとの間に空隙部２５が形成されているので、
マイクロ波３２は空隙部２５へも回り込んで伝播する。
この空隙部２５をマイクロ波３２が伝播する時、一部は
吸収されるが、空隙部２５の間隔が下流方向に向かうに
つれ小さくなっているので、電界強度は強くなり、マイ
クロ波３２を下流側にも伝播させることができ、プラズ
マの均一化を図ることができる。

【００２７】（実施の形態２）図２は、本発明の実施の
形態２によるプラズマ処理装置の構成を示している。本
実施の形態では、金属製容器２０の内側に設けられた真
空容器が、上部から下部に階段状に広がった形状をなし
ている。すなわち、真空容器４０は、横断面積Ａ４の大
円筒部４０Ａと、該大円筒部４０Ａの上部に設けられ、
横断面積Ａ４よりも小さい横断面積Ａ５の小円筒部４０
Ｂとからなっている。小円筒部４０Ｂの上面４０Ｃの面
積は、金属製容器２０内上部のマイクロ波導入部２４の
横断面積Ａ１よりも小さく設定されている。また真空容
器４０は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等の誘電体で形成されて
いる。他の構成は実施の形態１の場合と同じである。

【００２８】上記構成において、金属製容器２０と小円
筒部４０Ｂの側面との間に空隙部４１が形成されている
ので、マイクロ波３２は空隙部４１へも回り込んで伝播
し、これにより、プラズマの均一化を図ることができ
る。

【００２９】なお、本実施の形態では、真空容器４０が
大円筒部４０Ａと小円筒部４０Ｂの２段であったが、３
段以上に構成してもよい。

【００３０】（実施の形態３）図３は、本発明の実施の
形態３によるプラズマ処理装置の構成を示している。本
実施の形態では、実施の形態１で示した真空容器２３の
上面２３Ａに、円形の金属板５０が設置されている。他
の構成は実施の形態１の場合と同じである。

【００３１】金属板５０には、図４に示すように、スリ
ット５０Ａが金属板５０の中心部から放射状に複数本形
成されている。

【００３２】上記構成において、金属板５０は真空容器
２３内へのマイクロ波３２の入射を制限しているので、
金属板５０周辺部でのマイクロ波吸収が相対的に強めら
れることになり、プラズマ分布のより一層の均一化を図
ることができるとともに、分布制御がし易くなる。

【００３３】なお、金属板５０はスリット５０Ａが形成
されてないものであってもよい。また、金属板５０には
スリット５０Ａを放射状だけでなく、金属板５０の周方
向に沿って形成することもできる。

【００３４】また、上記実施の形態１〜３によれば、真
空容器を円錐台形状もしくは階段状にしたことにより、
マイクロ波がプラズマに到達する位置を高さ方向で変化
（ランダムに変化）させることができ、これにより、特
定のモードが励振されたり、共振したりしにくくなる。
その結果、異常放電や局所的にプラズマが高くなること
を防ぐことができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
真空容器はその横断面積が高さ方向で変化しているの
で、マイクロ波が最初にプラズマに到達するまでの距離
およびＥＣＲ面までの実効距離を径方向で変化させるこ
とができる。その結果、低パワーから高パワーまでの広
いパワー領域でプラズマの均一性を制御することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるプラズマ処理装置
の構成図である。

【図２】本発明の実施の形態２によるプラズマ処理装置
の構成図である。

【図３】本発明の実施の形態３によるプラズマ処理装置
の構成図である。

【図４】スリットを有する金属板の上面図である。

【図５】本発明の原理を説明するための摸式図である。

【図６】従来のプラズマ処理装置の構成図である。

【図７】従来のプラズマ処理装置での電界強度を示した
図である。

【図８】従来のプラズマ処理装置での小パワー時のプラ
ズマ密度を示した図である。

【図９】従来のプラズマ処理装置での中パワー時のプラ
ズマ密度を示した図である。

【図１０】従来のプラズマ処理装置での高パワー時のプ
ラズマ密度を示した図である。

【符号の説明】

２０金属製容器２１マイクロ波発生源２２導波管２３真空容器２３Ａ上面２３Ｂテーパ面２４マイクロ波導入部（マイクロ波導入手段）２５空隙部２６プラズマ処理室２７被処理物２８支持台２９ガス導入系３０排気系３１コイル（磁場形成手段）４０真空容器４０Ａ大円筒部４０Ｂ小円筒部４０Ｃ上面４１空隙部５０金属板５０Ａスリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂口正道山口県下松市大字東豊井794番地日立笠戸エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 4K030 FA02 KA09 4K057 DA16 DD01 DM29 5F004 AA01 BA14 BA15 BB07 BB11 BD01 BD04 5F045 AA10 DP04 EB02 EC01 EH02 EH03 EH17 EH19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製容器と、該金属製容器の内側に設
けられ、ガスが供給され且つ内部に被処理物が設置され
る処理室と、マイクロ波発生源からのマイクロ波を前記
処理室に導入するマイクロ波導入手段と、前記処理室に
磁場を形成する磁場形成手段とを備え、マイクロ波と磁
場との相互作用によって前記処理室内にプラズマを発生
させるプラズマ処理装置において、上面が平面形状をなした誘電体の真空容器で前記処理室
を形成するとともに、前記真空容器上面の面積を前記金
属製容器内の上部空間の横断面積よりも小さくし、且つ
前記真空容器の下部の横断面積を上部の横断面積よりも
大きくして、前記金属製容器と前記真空容器との間に空
隙部を形成し、前記空隙部を介してもマイクロ波が導入
される構成としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】請求項１に記載のプラズマ処理装置にお
いて、前記真空容器は、円錐台形状をなしていることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項１に記載のプラズマ処理装置にお
いて、前記真空容器は、上部から下部に階段状に広がった形状
をなしていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】請求項１に記載のプラズマ処理装置にお
いて、前記空隙部は真空封じされているか、もしくは誘電体が
充填されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】請求項１に記載のプラズマ処理装置にお
いて、前記真空容器の上面には、該真空容器内へのマイクロ波
の入射を制限する金属板が設置されていることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項６】請求項５に記載のプラズマ処理装置にお
いて、前記金属板にはスリット開口部が形成されていることを
特徴とするプラズマ処理装置。