JP2001156004A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ波により処理ガスをプラズマ化し、
そのプラズマにより基板に対して成膜やエッチングなど
の処理を行うにあたり、定在波の発生を抑え、基板上の
プラズマ密度の均一性を高めること。 【解決手段】 導波管の一端側を広げて拡径部を形成
し、この拡径部の中に真空容器内の基板と対向するよう
に誘電体を設け、更にこの誘電体の基板側の面に表皮厚
さよりも薄い導電膜例えば厚さ１μm程度の金属膜を形
成する。導波管を通ってきたマイクロ波は誘電体を介し
て導電膜に達し、エバネセントな電界が通りぬけて処理
ガスをプラズマ化する。この電界は反射しないので定在
波が立ちにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波などの
高周波のエネルギーによりプラズマを発生させ、そのプ
ラズマにより半導体ウエハ、ＬＣＤ基板（液晶ディスプ
レイ用ガラス基板）などの被処理基板に対して処理を施
すプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造工程の中に、半導
体ウエハ（以下ウエハという）に対してプラズマを用い
て処理を行う工程がある。このようなプラズマ処理を行
うための装置として図６に示すようなマイクロ波プラズ
マ処理装置が知られている。この装置は、ウエハＷの載
置台９０を備えた真空容器９の天井部に例えば石英より
なるマイクロ波透過窓９１を設けると共に、このマイク
ロ波透過窓９１の上方に平面スロットアンテナ９２を設
け、マイクロ透過窓９１の上方側に電磁シールド部材９
６、例えば真空容器９の上端に連続する円筒部分を設け
て構成されている。そしてマイクロ波電源部９３からマ
イクロ波を導波管９４を介して前記アンテナ９２に導
き、このアンテナ９２から真空容器９内にマイクロ波を
供給して、ガス供給部９５からの処理ガスをプラズマ化
し、そのプラズマにより例えばウエハＷの表面に成膜あ
るいはエッチング処理を施すように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】平面スロットアンテナ
９２は図７に示すように金属板に多数のスリット９２ａ
を形成したものであり、このスリット９２からは放射電
磁界（電界強度が距離の１乗に反比例する）も放射され
る。放射電磁界は真空容器９内のプラズマにて反射され
るので、この反射波とアンテナ９２からのマイクロ波と
が干渉してキャビティモードが起こって横方向に広がる
定在波が生成される。このためウエハＷと平行な面で見
ると電界強度分布が不均一となり、この結果ウエハＷ上
でのプラズマ密度の均一性が悪くなる。またウエハＷ上
のプラズマ密度を均一にするために、ウエハＷ上方にお
いて周縁部のプラズマ密度を中央部のプラズマ密度より
も高くするように例えばガスの流し方を工夫するなどし
てプラズマ密度をコントロールする場合があるが、この
場合上述のように電界強度分布が不均一であると、この
ようなコントロールが困難である。

【０００４】本発明は、このような事情の下になされた
ものであり、その目的は基板上におけるプラズマ密度の
均一性が高く、基板に対して面内均一性の高いプラズマ
処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理装
置は、真空容器内に供給された処理ガスをプラズマ化
し、そのプラズマにより、真空容器内の載置台に載置さ
れた基板に対して処理を行うプラズマ処理装置におい
て、高周波電源部と、この高周波電源部からの高周波を
導く導波管と、この導波管の出口側に設けられた誘電体
と、この誘電体に前記載置台に対向するように形成さ
れ、表皮厚さよりも薄いあるいは表皮厚さ程度の厚さの
導電膜と、を備え、高周波が前記導電膜に入射し、この
導電膜を通り抜けた電界に基づいて処理ガスをプラズマ
化することを特徴とする。

【０００６】この発明によれば表皮厚さよりも薄い導電
膜をいわばアンテナとして用いているので、導波管を通
ってきた高周波例えばマイクロ波はこの導電膜中を通り
抜け、エバネセント電界が真空容器内側にリークした状
態となる。このエバネセント電界は伝播しないので、定
在波が立ちにくくなり、基板上のプラズマ密度の均一性
が高い。この場合導波膜の周縁部の膜厚を中央部よりも
薄くすれば、リークする電界の強度が周縁部で大きくな
り、基板上では均一性の高いプラズマ分布が得られる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明のプラズマ処理装置
の実施の形態を示す断面図である。このプラズマ処理装
置は例えばアルミニウム製の円筒状の真空容器１を備え
ており、この真空容器１には基板であるウエハＷの載置
台２が設けられると共に、底部には真空排気を行うため
の排気管１１が接続され、また例えば側壁にはガス供給
部１２が設けられている。前記載置台２には例えば１
３．５６ＭＨｚのバイアス電源部２１に接続されたバイ
アス印加用の電極２２が埋設されると共に、図示しない
温度調整部が設けられていてウエハＷを所定の温度に調
整できるように構成されている。

【０００８】真空容器１の上部には例えば石英よりなる
厚さ３〜５ｃｍ程度の板状の誘電体３が下方側の領域を
真空雰囲気とするようにシール材３１により気密に封止
して配置されている。誘電体３の中央部には導波路であ
る同軸の導波管３３の軸部３３ａの一端部が上面から下
面に亘って貫通して設けられている。同軸の導波管３３
の外管３３ｂの下端部は外側に折り曲げられて広げられ
更に下側に屈曲して偏平な円筒状の拡径部３４をなし、
誘電体３の上に被せて設けられている。同軸の導波管３
３の他端部の側面には導波路である矩形状の導波管３５
の一端部が接続されており、この矩形状の導波管３５の
他端部にはインピーダンス整合部３６を介してマイクロ
波電源部３７が設けられている。

【０００９】前記誘電体３の下面（載置台２側の面）に
は導電膜４例えばアルミニウム等の金属からなる導電膜
４が形成されている。この導電膜４に関して説明する。
一般に導電体例えば金属は図２に示すように電界を吸収
し、上面にマイクロ波が入射したとすると、電界強度は
上面から下面に向かうにつれて指数関数的に減少する。
金属表面（上面）の電界強度Ｅが１／ｅ（ｅは自然対数
の底）になる厚さ（深さ）は表皮厚さ（表皮深さ）と呼
ばれ、金属がこの表皮厚さよりも薄い場合には下側（裏
側）に電界が抜ける。このようにして抜けた電界はエバ
ネセントな電界と呼ばれ伝播しない。前記導電膜４はウ
エハＷ側に電界が抜けるように表皮厚さよりも薄くある
いは表皮厚さ程度に作ってあり、例えば成膜されたアル
ミニウム膜の場合表皮厚さは成膜手段にも依るが３〜５
μｍであるから導電膜４の膜厚Ｄは例えばおよそ１〜２
μｍに設定されている（図面では導電膜４の厚さは大き
く描いている）。

【００１０】そして導電膜４から抜けたエバネセントな
電界の強度は図３に示すように下方に向かうにつれて減
衰するが、プラズマは導電膜４の直下で生成されるの
で、充分な電界が確保され得る。従ってウエハＷと導電
膜４との距離Ｌがあまり短いとガスの拡散領域が狭くな
るのでガスの供給手法が難しくなり、また逆にＬが大き
いとプラズマの周辺壁面への拡散消失の度合いが大きく
なり、マイクロ波電源部３７の電力を大きくする必要が
あるため、例えばＬは５〜１０ｃｍ程度が好ましい。

【００１１】また前記導波管３３の先端部の拡径部３４
は真空容器１内に位置しており、拡径部３４と真空容器
１の内壁との間の空間Ｓ１はシール部材３１によりプラ
ズマの発生領域から区画されている。この空間Ｓ１が大
気雰囲気であると誘電体３が圧力差により変形するおそ
れがあるので、誘電体３の形状を安定化するために、図
示しない排気路を介して空間Ｓ１は真空雰囲気にしても
良い。更にまた導波管３３の内部空間は大気雰囲気の状
態にしておくと、真空容器１内に入り込んでいる部位が
圧力差で変形するおそれがあるので、真空容器１の壁の
中に位置している部位においてシール部材３２を用いて
上側と下側とを区画し、下側空間Ｓ２を図示しない排気
路を介して真空雰囲気にしてもよい。

【００１２】なお誘電体４は、導波管３３の拡径部３４
の形状に適合するものでなくとも、例えば図４のように
薄いガラス板により構成して拡径部３４との間に空間が
形成されていてもよく、この場合でも上述のようにシー
ルして拡径部３４の内、外を真空雰囲気とすれば拡径部
３４の形状が安定する。

【００１３】次に上述実施の形態の作用について、基板
上にポリシリコン膜を形成する場合を例にとって説明す
る。先ず図示しないゲートバルブを開いて図示しない搬
送アームによりウエハＷを載置台２上に載置する。次い
で前記ゲートバルブを閉じた後、真空容器１内を排気し
て所定の真空度まで真空引きし、ガス供給部１２から成
膜ガスである例えばＳｉＨ4ガス及びキャリアガスであ
る例えばＡｒガスを真空容器１内に供給する。そしてマ
イクロ波電源部３７から例えば２．４５ＧＨｚ、２．５
ｋｗのマイクロ波を出力すると共に、バイアス電源部２
１から載置台２に例えば１３．５６ＭＨｚ、１．５ｋｗ
のバイアス電力を印加する。

【００１４】マイクロ波電源部３７からのマイクロ波は
導波管３５、３３を介して拡径部３４内に伝播され、誘
電体４を通って導電膜４に入射する。導電膜４は既述し
たように表皮厚さよりも薄いあるいは表皮膜厚程度なの
でここから電界がリークして真空容器１内に入り込み、
この電界（エバネセント電界）により処理ガスがプラズ
マ化される。そしてＳｉＨ4 ガスが電離して生成された
活性種がウエハＷ表面に付着してポリシリコン膜が成膜
される。

【００１５】上述実施の形態によれば導波管３３から伝
搬したマイクロ波はいわばアンテナである導電膜４に達
し、この導電膜４を通り抜けたエバネセント電界は伝播
しないので定在波が立ちにくくなり、定在波による電界
強度分布の影響が少なくなり、この結果ウエハＷ上での
プラズマ密度の均一性が高く、ウエハＷに対して面内分
布が均一なプラズマ処理、この例では成膜処理を行うこ
とができる。

【００１６】前記導電膜４は均一な厚さに形成してもよ
いが図５に示すように中央部よりも周縁部の方が厚さが
薄くなるように形成してもよく、このようにすれば周縁
部でリークする電界強度が中央部よりも大きくなるの
で、それによって周縁部で密度の高いプラズマが生成さ
れる。プラズマは生成部から離れるにつれ密度の低い部
分へ拡散し、また真空容器の内壁において消失する為、
導電膜４の下面側にて周辺部のプラズマ密度を高くして
おけば、プラズマが下がっていくときに内側への拡散と
内壁での消失によって、結果としてウエハＷ上のプラズ
マ密度がより一層均一性の高いものになる。

【００１７】なお導電膜４を誘電体３の上面に形成する
構成や誘電体の中に挟み込む構成も本発明の権利範囲に
含むものである。また処理ガスをプラズマ化するための
電源部としてはマイクロ波電源部に限らずＲＦ電源部や
ＵＨＦ電源部でもよく、本明細書では、これらを高周波
電源部として扱っている。更にまた本発明は成膜処理に
限らずエッチングやアッシング処理を行う場合に適用し
てもよい。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば表皮厚さよりも薄いある
いは表皮厚さ程度の厚さの導電膜をリークした電界を利
用してプラズマを発生させているので、基板上において
プラズマ密度の均一性が高く、この結果基板に対して均
一性の高いプラズマ処理を施すことができる。

【００１９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す縦断側面図である。

【図２】本発明で用いる導電膜の役割を説明する説明図
である。

【図３】図２の載置台上のウエハと導電膜との距離とこ
の間の電界強度の減衰の様子を示す説明図である。

【図４】本発明の他の実施の形態の要部を示す縦断側面
図である。

【図５】本発明の更に他の実施の形態を示す説明図であ
る。

【図６】従来のプラズマ処理装置を示す概略図である。

【図７】従来のプラズマ装置に用いられているアンテナ
を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ 載置台 ２１ バイアス電源部 Ｗ 半導体ウエハ ３３、３５ 導波管 ３４ 拡径部 ３７ 高周波電源部 ４ 導電膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 信雄 東京都港区赤坂五丁目３番６号 東京エレ クトロン株式会社内 Ｆターム(参考） 4K030 BA29 FA02 KA14 KA30 KA47 5F004 AA01 BA20 BB29 CA06 5F045 AA09 AB03 AC01 AC16 BB01 DP04 EC05 EH03 EH04 EH20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器内に供給された処理ガスをプラ
   ズマ化し、そのプラズマにより、真空容器内の載置台に
   載置された基板に対して処理を行うプラズマ処理装置に
   おいて、 高周波電源部と、この高周波電源部からの高周波を導く
   導波管と、この導波管の出口側に設けられた誘電体と、
   この誘電体に前記載置台に対向するように形成され、表
   皮厚さよりも薄いあるいは表皮厚さ程度の厚さの導電膜
   と、を備え、 高周波が前記導電膜に入射し、この導電膜を通り抜けた
   電界に基づいて処理ガスをプラズマ化することを特徴と
   するプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 導電膜は、周縁部の方が中央部よりも膜
   厚が薄いことを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理
   装置。