JP2001326216A

JP2001326216A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2001326216A
Application number: JP2000146252A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Yamazaki; 崎智生山
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2001-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】真空容器内のプラズマ密度分布の均一化を図
り得るプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】マイクロ波透過窓部材３を介して真空容
器４の内部にマイクロ波を導入し、真空容器４内のプロ
セスガスにマイクロ波を照射してプラズマを発生させ、
このプラズマを利用して被処理物７を処理する装置であ
る。マイクロ波発生源にて生成されたマイクロ波を真空
容器４の内部に導くためのマイクロ波導波管１であっ
て、マイクロ波透過窓部材３に向けてマイクロ波を放射
するための開口部１１が形成されたマイクロ波導波管１
を有する。開口部１１から放射されるマイクロ波の放射
量を開口部１１の全体にわたって均一化するためにマイ
クロ波導波管１の内部に設けられた金属部材２を有す
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、プラズマ処理装置
に係わり、特に、プロセスガスにマイクロ波を照射して
生成したプラズマを利用して被処理物の処理を行うプラ
ズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造用のシリコンウェハや液晶デ
ィスプレイ用ガラス基板といった被処理物を処理するた
めの装置として、マイクロ波プラズマを利用して被処理
物のドライエッチング処理やアッシング処理等を施すプ
ラズマ処理装置がある。このプラズマ処理装置を利用し
たプラズマ技術による微細加工、薄膜形成等の表面処理
は、例えば半導体の高集積化にとって必要不可欠な技術
となっている。

【０００３】プラズマ処理装置にはいくつかの種類があ
り、一例としては、高周波電力をアンテナに供給して真
空容器内のプロセスガスに印加してプラズマを生成し、
このプラズマを利用して被処理物にドライエッチング処
理等を施すものがある。より具体的には、マイクロ波導
波管により導いたマイクロ波を、マイクロ波導波管に形
成された開口部（スロットアンテナ）から放射して、マ
イクロ波透過窓部材を介して真空容器内に導入し、真空
容器内のプロセスガスにマイクロ波を照射してプラズマ
を生成し、このプラズマを利用して被処理物に微細加工
や薄膜形成等の表面処理を施すものがある。

【０００４】このタイプのプラズマ処理装置は、真空容
器の内部で生成したプラズマを被処理物の表面に接触さ
せ、プラズマ中の活性種等によりドライエッチングやア
ッシング等の表面処理を施すものと、プラズマ発生領域
と処理室とを分離してプラズマからのダウンフローを被
処理物の表面に導いてドライエッチングやアッシング等
の表面処理を施すものとがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】マイクロ波によりプラ
ズマを生成し、このプラズマを利用して被処理物を処理
する場合、被処理面において処理速度が均一であること
が望まれる。ところが、真空容器内に形成されたプラズ
マの密度分布が不均一であると、被処理面における処理
速度もまた不均一になってしまう。プラズマ密度分布の
不均一さは、マイクロ波導波管の開口部から放射される
マイクロ波の強度分布の不均一さに起因する。

【０００６】例えば、被処理物が真空容器内の中央に配
置され、プラズマ生成部が被処理物の直上にあるような
装置構成の場合、真空容器の内部に形成されるプラズマ
の密度は、マイクロ波導波管のマイクロ波入射側の直下
では高く、マイクロ波導波管の終端側の直下では低くな
る傾向がある。

【０００７】プラズマ密度分布の不均一さは、被処理物
の処理の面内均一性の低下をもたらすものであるから、
真空容器の内部に形成するプラズマの密度勾配を極力小
さくして、プラズマ全体にわたって密度分布を均一化す
ることが重要である。

【０００８】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たものであって、真空容器内のプラズマ密度分布の均一
化を図り得るプラズマ処理装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【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、マイクロ波透過窓部材を介して真空容器の
内部にマイクロ波を導入し、前記真空容器内のプロセス
ガスにマイクロ波を照射してプラズマを発生させ、この
プラズマを利用して被処理物を処理するようにしたプラ
ズマ処理装置において、マイクロ波発生源にて生成され
たマイクロ波を前記真空容器の内部に導くためのマイク
ロ波導波管であって、前記マイクロ波透過窓部材に向け
てマイクロ波を放射するための開口部が形成されたマイ
クロ波導波管と、前記開口部から放射されるマイクロ波
の放射量を前記開口部の全体にわたって均一化するため
に前記マイクロ波導波管の内部に設けられた金属部材
と、を備えたことを特徴とする。

【００１０】また、好ましくは、前記金属部材は、前記
開口部の形成領域に対応する前記マイクロ波導波管の内
部空間領域の少なくとも一部に配置されており、前記マ
イクロ波導波管の管軸方向における前記金属部材の長さ
は、前記マイクロ波導波管の内部におけるマイクロ波の
波長の略１／２倍であり、前記マイクロ波導波管の幅方
向における前記金属部材の幅は、前記マイクロ波導波管
の内部空間の幅に略等しい。

【００１１】また、好ましくは、前記金属部材の長さ方
向の中心が前記マイクロ波導波管の内部におけるマイク
ロ波の定在波の腹の部分に位置決めされている。

【００１２】また、好ましくは、前記金属部材は、前記
開口部に対向する側の前記マイクロ波導波管の内面に接
触している。

【００１３】また、好ましくは、前記金属部材は、前記
開口部が形成された側の前記マイクロ波導波管の内面及
び前記開口部に対向する側の前記マイクロ波導波管の内
面のそれぞれから離間して配置されている。

【００１４】また、好ましくは、前記マイクロ波導波管
は、前記開口部が形成された側の前記マイクロ波導波管
の内面と前記開口部に対向する側の前記マイクロ波導波
管の内面との間の間隔を、前記開口部の非形成領域にお
ける内面同士の間隔よりも大きくする。

【００１５】また、好ましくは、複数の前記金属部材を
前記マイクロ波導波管の管軸方向に沿って直列に配置す
る。

【００１６】また、好ましくは、複数の前記金属部材の
それぞれから前記開口部までの離間距離は、前記各金属
部材毎に調整されている。

【００１７】また、好ましくは、複数の前記金属部材
は、前記開口部からの離間距離を調整できるようにそれ
ぞれが独立に移動可能である。

【００１８】また、好ましくは、前記開口部はスロット
アンテナである。

【００１９】また、好ましくは、処理中の被処理物を保
持するステージと、前記ステージに高周波電力を印加す
るための手段と、をさらに有する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施形態によ
るプラズマ処理装置について図１及び図２を参照して説
明する。

【００２１】図１に示したように本実施形態によるプラ
ズマ処理装置は、処理室５を内部に形成する真空容器４
を備えており、この真空容器４の内部には被処理物７を
搭載するためのステージ８が設けられている。ステージ
８には高周波電源９が接続されている。

【００２２】真空容器４の側壁にはプロセスガスを処理
室５内に導入するためのガス導入口６が形成されてお
り、真空容器４の底壁には処理室５内を排気するための
ガス排気口１０が形成されている。真空容器４の上部開
口は、誘電体で形成されたマイクロ波透過窓部材３で封
止されている。

【００２３】本実施形態によるプラズマ処理装置は、さ
らに、マイクロ波発生源（図示せず）にて生成されたマ
イクロ波を真空容器４の内部に導くためのマイクロ波導
波管１を備えている。このマイクロ波導波管１には、マ
イクロ波透過窓部材３に向けてマイクロ波を放射するた
めの開口部１１が形成されており、この開口部１１はス
ロットアンテナを構成している。

【００２４】図１中ａ−ａ’で示された開口部１１の長
さ寸法は、例えば、マイクロ波周波数＝２．４５ＧＨ
ｚ、マイクロ波導波管１の断面寸法が、幅×高さ＝９６
ｍｍ×２７ｍｍの場合、マイクロ波導波管１内でのマイ
クロ波の半波長＝λｇ／２≒８０ｍｍの２倍にあたる１
６０ｍｍに設定する。

【００２５】なお、マイクロ波導波管１の断面寸法が、
幅×高さ＝１０９ｍｍ×５４ｍｍ（ＪＩＳ規格）の場
合、マイクロ波導波管１内でのマイクロ波の半波長＝λ
ｇ／２≒７２ｍｍとなるので、開口部１１の長さ寸法は
その２倍にあたる１４４ｍｍに設定する。

【００２６】そして、本実施形態によるプラズマ処理装
置においては、開口部１１から放射されるマイクロ波の
放射量を開口部１１の全体にわたって均一化するため
に、マイクロ波導波管１の先端部分の内側に金属部材２
が設けられている。金属部材２の上面は、開口部１１に
対向する側のマイクロ波導波管１の内面に接触してい
る。

【００２７】金属部材２は、直方体状に形成され、開口
部１１の形成領域に対応するマイクロ波導波管１の内部
空間領域の少なくとも一部に配置されており、マイクロ
波導波管１の管軸方向における金属部材２の長さは、マ
イクロ波導波管１の内部におけるマイクロ波の波長λｇ
の１／２倍、つまり８０ｍｍであり、マイクロ波導波管
１の幅方向における金属部材２の幅は、マイクロ波導波
管１の内部空間の幅に等しく、９６ｍｍである。また、
金属部材２の長手方向の中心Ｇは、マイクロ波導波管１
の内部におけるマイクロ波の定在波の腹の部分、つま
り、導波管終端からλｇ／４＝４０ｍｍの位置に位置決
めされている。

【００２８】金属部材２の厚さをｄｍｍとした場合、金
属部材２が設けられた部分におけるマイクロ波導波管１
の構造は、導波管終端からマイクロ波導入側に向けて８
０ｍｍにわたって導波管高さを（２７−ｄ）ｍｍに設定
したものに相当する。そして、金属部材２の厚さｄを大
きくすると、金属部材２に対応する部分の開口部１１の
直下でのレジストアッシングレートが速くなるという知
見を実験により得た。これは、金属部材２を設置したこ
とにより、金属部材２に対応する部分の開口部１１から
放射されるマイクロ波の放射強度が相対的に大きくなっ
たためと考えられる。なお、プロセスガスには酸素ガス
を使用した。

【００２９】図２はこのときの実験の結果を示してお
り、図２（ａ）に示したように、金属部材２を設置して
いない状態においては、マイクロ波導入側においてレジ
ストアッシングレートが高く、導波管終端側で低くなっ
ている。これは、マイクロ波導入側の開口部１１から放
射されるマイクロ波の放射強度が強いため、それに応じ
てプラズマ密度が高くなり、導波管終端側の開口部１１
から放射されるマイクロ波の放射強度が弱いため、それ
に応じてプラズマ密度が低くなったためと考えられる。

【００３０】そして、図１に示したようにマイクロ波導
波管１の内部に金属部材２を設置することにより、図２
（ｂ）、（ｃ）に示したようにレジストアッシングレー
トの分布が変化する。例えば金属部材２の厚さを１３．
５ｍｍにした場合、図２（ｂ）に示したように、マイク
ロ波導入側におけるレジストアッシンググレートと、導
波管終端側、つまり金属部材２に対応する部分の開口部
１１の直下におけるレジストアッシングレートとがほぼ
等しくなっている。さらにまた、金属部材２の厚さを２
０ｍｍにした場合、図２（ｃ）に示したように、マイク
ロ波導入側におけるレジストアッシングレートよりも、
導波管終端側におけるレジストアッシングレートの方が
高くなっている。

【００３１】そして、金属部材２を設置しない場合（図
２（ａ））、被処理物７の処理の面内均一性は約２０％
であったのに対し、厚さ１３．５ｍｍの金属部材２を設
置した場合（図２（ｂ））、被処理物７の処理の面内均
一性は１０％以下となり、厚さ１３．５ｍｍの金属部材
２の設置により面内均一性が大幅に向上した。

【００３２】本実施形態によるプラズマ処理装置におい
ては、マイクロ波発生源（図示せず）から発生したマイ
クロ波がマイクロ波導波管１によって真空容器４の方向
に導かれた後、開口部１１からマイクロ波が放射され、
マイクロ波透過窓部材３を介して真空容器４の内部にマ
イクロ波が導入される。ここで、マイクロ波導波管１の
内部には金属部材２が配置されているので、開口部１１
から放射されるマイクロ波の放射量が開口部１１の全体
にわたって均一化される。

【００３３】真空容器４内の処理室５内にはガス導入口
６からプロセスガスが導入されており、このプロセスガ
スにマイクロ波を照射することによりプラズマが生成さ
れ、このプラズマによってステージ８上の被処理物７の
表面が処理される。なお、処理室５の内部のガスは排気
口１０を介して排気されている。

【００３４】プロセスガスとしては、例えば被処理物７
表面の薄膜のエッチングを行う場合には、酸素ガス（Ｏ
_２）単体、或いは酸素ガスにＣＦ_４、ＮＦ_３、ＳＦ_６等
のフッ素系ガスを添加した混合ガス、又はこれらのガス
に水素ガスを添加したガスが使用される。

【００３５】高周波電源９からの高周波電力をステージ
８に印加することにより、プラズマ中のイオンが被処理
物７に向けて加速して照射され、これにより被処理物７
の異方性加工が可能となり、また、高周波電力を調整す
ることにより、被処理物７に入射するイオンのエネルギ
ーを制御することができる。

【００３６】以上述べたように本実施形態によれば、マ
イクロ波導波管１の内部に金属部材２を設けて開口部１
１から放射されるマイクロ波の放射量を開口部１１の全
体にわたって均一化するようにしたので、真空容器４の
内部に形成されるプラズマの密度分布を均一化すること
が可能であり、ひいては、被処理物７の処理の面内均一
性を向上させることができる。

【００３７】次に、本発明の第２実施形態によるプラズ
マ処理装置について図３を参照して説明する。

【００３８】図３に示したように本実施形態における金
属部材２は、開口部１１の形成領域に対応するマイクロ
波導波管１の内部空間領域におけるマイクロ波導入側の
端部から導波管終端側に向けてその途中まで延設されて
いる。また、金属部材２は、開口部１１が形成された側
のマイクロ波導波管１の内面及び開口部１１に対向する
側のマイクロ波導波管１の内面のそれぞれから離間して
配置されている。金属部材２の厚さは、上記第１実施形
態における金属部材２よりも薄く、１ｍｍである。金属
部材２の長さは８０ｍｍ、幅は９６ｍｍで、これらの値
は上記第１実施形態における金属部材２と同様である。

【００３９】本実施形態の構造は、マイクロ波導波管１
内に形成された定在波の半波長分である８０ｍｍに対し
て、マイクロ波導波管１の内部を上下方向の中間位置で
２分岐（上側：１３ｍｍ、下側：１３ｍｍ）したものに
相当する。この構造においては、マイクロ波導波管１内
でマイクロ波電力が分割されるので、金属部材２を設置
した領域に対応する開口部１１から放射されるマイクロ
波の放射強度は、金属部材２を設置しない状態と比較し
て弱くなり、プラズマ密度も低くなると考えられる。

【００４０】本実施形態においても、上記第１実施形態
と同様の効果を得ることができる。

【００４１】なお、第１実施形態における厚手の金属部
材２と本実施形態における薄手の金属部材２とを、それ
ぞれの長さを適宜調整して組み合わせてプラズマ密度を
制御することもできる。

【００４２】次に、本発明の第３実施形態によるプラズ
マ処理装置について図４を参照して説明する。

【００４３】図４に示したように本実施形態において
は、開口部１１が形成された側のマイクロ波導波管１の
内面と開口部１１に対向する側のマイクロ波導波管１の
内面との間の間隔が、開口部１１の非形成領域１ａにお
ける内面同士の間隔よりも大きく形成されている。つま
り、開口部１１の非形成領域１ａよりも、開口部１１の
形成領域１ｂの方が、マイクロ波導波管１の内部空間の
高さが高くなっている。

【００４４】開口部１１の長さは、マイクロ波導波管１
の内部でのマイクロ波の半波長（例えば８０ｍｍ）のｎ
倍（ｎ：自然数）である。そして、開口部１１の形成領
域１ｂのマイクロ波導波管１の内部には、ｎ個の金属部
材２がマイクロ波導波管１の管軸方向に沿って直列に連
続して配置されている。

【００４５】開口部１１から各金属部材２までの離間距
離は、各金属部材２毎に調整されており、これにより、
開口部１１から放射されるマイクロ波の量が開口部１１
の全体にわたって均一化されている。

【００４６】以上述べたように本実施形態によれば、マ
イクロ波導波管１の内部に複数の金属部材２を設けて開
口部１１から放射されるマイクロ波の放射量を開口部１
１の全体にわたって均一化するようにしたので、真空容
器４の内部に形成されるプラズマの密度分布を均一化す
ることが可能であり、ひいては、被処理物７の処理の面
内均一性を向上させることができる。

【００４７】また、開口部１１の形成領域１ｂにおける
マイクロ波導波管１の内部空間の高さを高くしたので、
金属部材２と開口部１１との離間距離の調整幅を十分に
確保することができる。

【００４８】図５は本実施形態の一変形例を示してお
り、この変形例においては各金属部材２の上面にスタブ
１２が突設され、各スタブ１２がマイクロ波導波管１の
上面から突出し、各スタブ１２を用いて各金属部材２を
上下に移動させることにより、各金属部材２の開口部１
１からの離間距離を調整できるように構成されている。

【００４９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によるプラズマ
処理装置によれば、マイクロ波導波管の内部に金属部材
を設けて開口部から放射されるマイクロ波の放射量を開
口部の全体にわたって均一化するようにしたので、真空
容器の内部に形成されるプラズマの密度分布を均一化す
ることが可能であり、ひいては、被処理物の処理の面内
均一性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態によるプラズマ処理装置
の概略構成を示した縦断面図。

【図２】本発明の第１実施形態によるプラズマ処理装置
の作用・効果を説明するためのレジストアッシングレー
ト分布を示した図であり、（ａ）は金属部材未設置の場
合を示し、（ｂ）は厚さ１３．５ｍｍの金属部材を設置
した場合を示し、（ｃ）は厚さ２０ｍｍの金属部材を設
置した場合を示す。

【図３】本発明の第２実施形態によるプラズマ処理装置
の概略構成を示した縦断面図。

【図４】本発明の第３実施形態によるプラズマ処理装置
の概略構成を示した縦断面図。

【図５】本発明の第３実施形態の一変形例によるプラズ
マ処理装置の概略構成を示した縦断面図。

【符号の説明】

１マイクロ波導波管２金属部材３マイクロ波透過窓部材４真空容器５処理室６ガス導入口７被処理物８ステージ９高周波電源１０ガス排気口１１開口部１２スタブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波透過窓部材を介して真空容器の
内部にマイクロ波を導入し、前記真空容器内のプロセス
ガスにマイクロ波を照射してプラズマを発生させ、この
プラズマを利用して被処理物を処理するようにしたプラ
ズマ処理装置において、マイクロ波発生源にて生成されたマイクロ波を前記真空
容器の内部に導くためのマイクロ波導波管であって、前
記マイクロ波透過窓部材に向けてマイクロ波を放射する
ための開口部が形成されたマイクロ波導波管と、前記開口部から放射されるマイクロ波の放射量を前記開
口部の全体にわたって均一化するために前記マイクロ波
導波管の内部に設けられた金属部材と、を備えたことを
特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記金属部材は、前記開口部の形成領域に
対応する前記マイクロ波導波管の内部空間領域の少なく
とも一部に配置されており、前記マイクロ波導波管の管
軸方向における前記金属部材の長さは、前記マイクロ波
導波管の内部におけるマイクロ波の波長の略１／２倍で
あり、前記マイクロ波導波管の幅方向における前記金属
部材の幅は、前記マイクロ波導波管の内部空間の幅に略
等しいことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装
置。
【請求項３】前記金属部材の長さ方向の中心が前記マイ
クロ波導波管の内部におけるマイクロ波の定在波の腹の
部分に位置決めされていることを特徴とする請求項１又
は２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記金属部材は、前記開口部に対向する側
の前記マイクロ波導波管の内面に接触していることを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズ
マ処理装置。
【請求項５】前記金属部材は、前記開口部が形成された
側の前記マイクロ波導波管の内面及び前記開口部に対向
する側の前記マイクロ波導波管の内面のそれぞれから離
間して配置されていることを特徴とする請求項１乃至３
のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】前記マイクロ波導波管は、前記開口部が形
成された側の前記マイクロ波導波管の内面と前記開口部
に対向する側の前記マイクロ波導波管の内面との間の間
隔を、前記開口部の非形成領域における内面同士の間隔
よりも大きくしたことを特徴とする請求項１乃至５のい
ずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】複数の前記金属部材を前記マイクロ波導波
管の管軸方向に沿って直列に配置したことを特徴とする
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装
置。
【請求項８】複数の前記金属部材のそれぞれから前記開
口部までの離間距離は、前記各金属部材毎に調整されて
いることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装
置。
【請求項９】複数の前記金属部材は、前記開口部からの
離間距離を調整できるようにそれぞれが独立に移動可能
であることを特徴とする請求項７又は８に記載のプラズ
マ処理装置。
【請求項１０】前記開口部はスロットアンテナであるこ
とを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の
プラズマ処理装置。
【請求項１１】処理中の被処理物を保持するステージ
と、前記ステージに高周波電力を印加するための手段
と、をさらに有することを特徴とする請求項１乃至１０
のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。