JP2002299323A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ波放電によりプラズマを発生させる
プラズマ発生装置に関し、ガス圧力の高い状態での使用
に際し、プラズマ用ガスの分解効率が良く、熱ストレス
による破損を防ぐことができ、かつ、構造が簡単で安価
である。 【解決手段】 マイクロ波が導入される導波管２と、導
波管２に真空封じ窓６を介して連結され先端側が処理室
に接続されたチャンバ４とからなり、チャンバ４は放電
室１４の先端側のＥ面幅が縮径する形状とされ、電界の
高い縮径部Ａにプラズマが発生し、縮径部Ａを通過する
ガスＧがプラズマにより分解され、かつプラズマが真空
封じ窓６から離れた位置で発生するため、真空封じ窓６
がプラズマの熱応力を受けない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波放電に
よりプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関する。
このプラズマ発生装置は、例えば、処理室内にプラズマ
ガスを導き、この処理室内に配置されている半導体ウエ
ハ上をエッチング，アッシングおよびチャンバのクリー
ニングをする工程などに利用して好適なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６を参照して、従来のこの種のプラズ
マ発生装置について説明する。同図において、１００
は、矩形断面を有した矩形導波管であって、この矩形導
波管１００の一端側開口にはマイクロ波電源（図示せ
ず）が装着され、その内部に該電源よりのマイクロ波Ｍ
が導入される。

【０００３】１０２，１０４は、矩形導波管１００の各
開口管壁それぞれに、その管軸方向垂直に接続された円
筒導体であって、一方の円筒導体１０２は、プラズマ用
のガス導入口１０２ａを有し、他方の円筒導体１０４の
開口１０４ａは、処理室（図示せず）に接続されてい
る。

【０００４】１０６は、矩形導波管１００をその管軸方
向垂直に貫通すると共に、両円筒導体１０２，１０４内
に装着された円筒絶縁体であって、矩形導波管１００内
に位置する部分が、プラズマ発生部分１０６ａとされて
いる。

【０００５】１０８は、円筒絶縁体１０６のプラズマ発
生部分１０６ａ内におけるマイクロ波の電界が高くなる
ように、その管軸方向に可動される可動終端である。

【０００６】このようなプラズマ発生装置において、矩
形導波管１００内部にマイクロ波Ｍが導入され、かつ、
円筒導体１０２のガス導入口１０２ａからプラズマ用の
ガスＧが導入されると、円筒絶縁体１０６のプラズマ発
生部分１０６ａの内部空間にマイクロ波放電によるプラ
ズマが発生する。

【０００７】こうして円筒絶縁体１０６で発生したプラ
ズマガスＰは、例えば、開口１０４ａに接続された処理
室内に配置された半導体ウエハ上に導かれ、該半導体ウ
エハ上をエッチング，アッシングおよびチャンバのクリ
ーニングする際に用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】電離気体の総称を一般
的にプラズマと呼び、空間を自由に運動する荷電粒子の
集合状態をいう。この荷電粒子は、マイクロ波Ｍによる
放電によってガスＧが分解し電離することによって発生
する。

【０００９】このようなプラズマは、マイクロ波の電界
の高い部分で発生しやすい。図６に示すようなプラズマ
発生装置では、円筒絶縁体１０６が矩形導波管１００を
貫通する部分が、マイクロ波の電界が一番高い個所であ
る。そのために、最初にこの部分の円筒絶縁体１０６の
内面でプラズマが発生する。

【００１０】円筒絶縁体１０６の内面の小領域にプラズ
マ１１０が発生すると、このプラズマ１１０が起因とな
って、ガスＧが連鎖的に反応して、プラズマが円筒絶縁
体１０６の広範囲に発生する。

【００１１】ここで、粒子がある衝突から次の衝突まで
の間に運動する距離を自由行程といい、また、その平均
値を平均自由行程という。この平均自由行程は、一定の
温度において、ガス圧力に反比例する。すなわち、ガス
圧が高いほど電子の平均自由行程は短くなる。

【００１２】そのために、円筒絶縁体１０６内に導入さ
れるプラズマ用のガスＧの圧力によって、プラズマの発
生の仕方が異なる。すなわち、ガス圧力が比較的低いと
きは、粒子の平均自由行程が長いためにプラズマが広範
囲に渡って発生するが、ガス圧力が比較的高いときは、
粒子の平均自由行程が短いためにプラズマが広範囲に渡
って発生することが難しくなる。

【００１３】よって、ガス圧力が高くなりすぎると、円
筒絶縁体１０６内の広範囲でプラズマが発生しないで、
電界の高いところにのみ局限して発生する。この場合、
ガス導入口１０２ａから導入されたプラズマ用のガスＧ
は、処理室に送られるまでの間に必ずしもプラズマ中を
通過しないので、プラズマ用のガスＧが未分解（未電
離）の状態のままで、円筒絶縁体１０４の開口１０４ａ
から処理室に送られることがあった。そのために、プラ
ズマ用のガスＧの分解効率が悪いという問題があった。

【００１４】また、通常、円筒絶縁体１０６は、比較的
破損しやすいガラス管で形成されているために、円筒絶
縁体１０６が、プラズマの高温にさらされると、熱応力
によって破損しやすいという問題もあった。

【００１５】そこで、熱応力による破損を防ぐために、
円筒絶縁体１０６を二重管構造とし、その間に冷却媒体
を流すようにしたプラズマ発生装置が提案されている。
すなわち、冷却媒体を流すことによって冷却効率を上
げ、円筒絶縁体１０６の温度を下げて熱応力を低減し、
円筒絶縁体１０６の破損を防止しようとするものであ
る。

【００１６】しかし、円筒絶縁体１０６を二重管構造と
し、さらに冷却媒体を供給する装置も必要となるため、
プラズマ発生装置の構造が複雑となり、コスト高になる
という問題があった。

【００１７】したがって、本発明は、ガス圧力の高い状
態での使用に際し、プラズマ用のガスの分解効率が良
く、しかも、プラズマの熱応力による装置の破損を防ぐ
ことができ、かつ、構造が簡単で安価なプラズマ発生装
置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１は、マイクロ波
放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置にお
いて、マイクロ波が導入される導波管と、前記導波管に
真空封じ窓を介して連結され先端側を処理室に接続した
チャンバとからなり、前記チャンバは、内部放電室の先
端側のＥ面幅が縮径する形状とされ、前記真空封じ窓と
前記縮径部との間にプラズマ用のガス導入管を設けたも
のである。

【００１９】請求項１のプラズマ発生装置によると、放
電室先端側のＥ面幅を縮径させたことで、当該縮径部分
におけるマイクロ波の電界が高くなる。そのために、ガ
ス圧力が高い場合でも、縮径部では、マイクロ波の電界
が高いので、プラズマが発生しやすく、縮径部を中心と
してプラズマが発生する。

【００２０】また、縮径部は、チャンバの先端に位置す
るので、処理室へ供給されるプラズマガスは縮径部を通
ることになる。

【００２１】よって、たとえ縮径部を中心とした領域以
外で、プラズマが発生していない領域があっても、縮径
部を通ってプラズマガス供給管から処理室へ供給される
プラズマガスのほとんどは、縮径部において分解し電離
していることになる。すなわち、ガスの分解効率が極め
てよい。

【００２２】また、上記のようにガス圧力が高い場合
は、真空封じ窓から離れたチャンバ先端の縮径部を中心
としてプラズマが発生するために、真空封じ窓がプラズ
マから直接の熱応力を受けず、大気圧と熱応力とによっ
て真空封じ窓が破損するのを防止できるので、信頼性が
向上する。

【００２３】さらに、ガスが通過するチャンバの縮径部
の電界が高いため、プラズマの着火性に優れる。

【００２４】なお、放電室の先端側のＥ面幅は、テーパ
状に縮径していても、あるいは、段状に縮径していても
よい。

【００２５】放電室の先端側のＥ面幅がテーパ状に縮径
していると、壁面での反射を防いで電界の整合が取れ、
マイクロ波の導入が円滑に行える。

【００２６】請求項４は、請求項１のプラズマ発生装置
において、放電室の縮径部におけるＨ面の幅方向両側に
絶縁体を設けたことを特徴とするものである。

【００２７】請求項４のプラズマ発生装置によると、マ
イクロ波の電界は、チャンバのＨ面の幅方向中央が高
く、両側は低くなる。このため、縮径部の電界の低いＨ
面の幅方向両側に絶縁体を設けることで、当該電界の低
い部分にプラズマが発生しない場合であっても、絶縁体
によってプラズマ用のガスが電界の高い中央寄りに導か
れて分解され、ガスが未分解の状態で処理室に供給され
るのを防ぐことができる。

【００２８】請求項５は、請求項１のプラズマ発生装置
において、放電室の縮径部の壁面を耐熱性の絶縁物で覆
ったことを特徴とするものである。

【００２９】請求項５のプラズマ発生装置によると、放
電室の縮径部の壁面が耐熱性の絶縁物によって保護さ
れ、プラズマの熱応力で壁面が損傷するのを防ぐことが
できる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図面に示す
実施の形態に基づいて説明する。

【００３１】図１ないし図３は、本発明の一実施の形態
に係り、図１は本実施の形態のプラズマ発生装置全体の
一部破断正面図、図２はプラズマ発生装置の縦断側面
図、図３はプラズマ発生装置の斜視図である。

【００３２】図例のプラズマ発生装置において、２は矩
形導波管、４は内部が放電室１４となった金属製のチャ
ンバ、６は真空封じとマイクロ波の導入を行う真空封じ
窓、８はプラズマ用のガス導入管、１０はチャンバ４の
先端に設けられ処理室（図示せず）に接続したプラズマ
ガス供給管である。

【００３３】矩形導波管２は、管軸方向一端側が開口さ
れた矩形断面を有し、その一端側開口２ａにマイクロ波
電源（図示せず）が装着され、その内部に該電源からの
マイクロ波電力Ｍが投入されるようになっている。

【００３４】チャンバ４は、矩形導波管２の他端側に真
空封じ窓６を介して連結されている。なお、チャンバ４
と矩形導波管２とは、ボルト等（図示せず）によって連
結されている。チャンバ４は矩形断面を有し、放電室１
４のＥ面（電界に平行な面）の幅ｅが、チャンバ４の先
端に向かってテーパ状に縮径する形状となっている。ま
た、真空封じ窓６と縮径部Ａとの間には、プラズマ用の
ガス導入管８が設けられており、先端側には処理室に接
続したプラズマガス供給管１０が設けられている。

【００３５】真空封じ窓６は、セラミック、石英、サフ
ァイヤ、アルミナ、窒化アルミ、テフロン（登録商標）
などの化学的に安定した、好ましくはマイクロ波Ｍを吸
収し難い耐熱性の絶縁体にて構成されており、固着具１
２にて矩形導波管２に固定して、放電室１４を真空封じ
している。

【００３６】また、放電室１４の縮径部ＡのＨ面（磁界
に平行な面）における幅方向ｈの両側に、立方体形状の
絶縁体１６が設けられている。絶縁体１６は、例えば、
セラミック、石英、サファイヤ、アルミナ、窒化アル
ミ、テフロンなどの化学的に安定で、かつ耐熱性および
耐腐食性に優れた絶縁材料で構成されている。

【００３７】マイクロ波ＭはＨ面の中央部分が最も電界
が高いので、Ｈ面の幅方向ｈの両側に絶縁体１６を設け
ることで、マイクロ波Ｍの電界が低い部分、すなわち、
プラズマが発生しない可能性がある部分を絶縁体１６で
塞ぐことになる。

【００３８】さらに、放電室１４の縮径部Ａにおける両
Ｈ面の金属製の壁面１８を、耐熱性の絶縁物で覆う。耐
熱性の絶縁物は、例えば、セラミック、石英、サファイ
ヤ、アルミナ、窒化アルミなどの材料で構成されてお
り、貼り付けや塗布によって壁面１８に設ける。なお、
塗布の方が、壁面１８との間に隙間が生じ難く、ガスが
分解されずに漏れるのを防止できて好ましい。

【００３９】次に、プラズマ発生装置の動作について説
明する。

【００４０】まず、矩形導波管２の開口２ａからマイク
ロ波Ｍを投入するとともに、チャンバ４のガス導入管８
から放電室１４内にプラズマ用のガスＧを導入する。

【００４１】このガスＧがマイクロ波Ｍによる放電によ
って分解し電離することによってプラズマが生成され
る。

【００４２】ところで、放電室１４のＥ面の幅ｅが、チ
ャンバ４の先端に向かってテーパ状に縮径する形状にな
っているので、チャンバ４の先端に向かうほど、電界が
高くなり、プラズマが発生しやすくなる。そのために、
プラズマは、最初に縮径部Ａの部分で発生する。

【００４３】縮径部Ａの部分でプラズマが発生すると、
縮径部Ａで発生したプラズマが起因となって、ガスＧが
連鎖的に反応して、プラズマが縮径部Ａを中心として放
電室１４の広範囲に発生する。

【００４４】なお、従来技術と同様に、放電室１４内に
導入されるプラズマ用のガスＧの圧力によって、プラズ
マの発生の仕方が異なる。すなわち、ガス圧力が高い
と、放電室１４内の広範囲でプラズマが発生することが
難しくなるので、プラズマは縮径部Ａを中心とした小領
域にのみ発生し、他の多くの領域では発生しないことが
ある。

【００４５】しかし、縮径部Ａは、チャンバ４の先端に
位置するので、処理室へ供給されるプラズマガスＰは縮
径部Ａを通ることになる。

【００４６】よって、たとえ縮径部Ａを中心とした領域
以外で、プラズマが発生していない領域があっても、縮
径部Ａを通ってプラズマガス供給管１０から処理室へ供
給されるプラズマガスＰのほとんどは、縮径部Ａにおい
て分解し電離していることになる。すなわち、ガスの分
解効率が極めてよい。

【００４７】そして、このように生成されたプラズマガ
スＰによって、半導体ウエハ上をエッチング、アッシン
グおよびチャンバのクリーニング等を行う。

【００４８】また、上記のようにガス圧力が高い場合
は、真空封じ窓６から離れたチャンバ先端の縮径部Ａを
中心としてプラズマが発生するために、真空封じ窓６が
プラズマから直接の熱応力を受けず、大気圧と熱応力と
によって真空封じ窓６が破損するのを防止できるので、
信頼性が向上する。

【００４９】また、ガスＧが通過するチャンバの縮径部
Ａの電界が高いため、プラズマの着火性に優れる。

【００５０】また、放電室の先端側におけるＥ面の幅ｅ
がテーパ状に縮径しているため、壁面での反射を防いで
電界の整合が取れ、マイクロ波Ｍの導入が円滑に行え
る。

【００５１】また、マイクロ波Ｍの電界は、チャンバ４
のＨ面の幅方向ｈの中央が高く、両側は低くなる。この
ため、縮径部Ａの電界の低いＨ面の幅方向ｈの両側に絶
縁体１６を設けることで、当該電界の低い部分にプラズ
マが発生しない場合であっても、絶縁体１６によってプ
ラズマ用のガスＧが電界の高い中央寄りに導かれて分解
され、ガスＧが未分解の状態で処理室に供給されるのを
防ぐことができる。

【００５２】また、絶縁体１６によって放電室１４の縮
径部ＡのＥ面における金属製の両壁面が保護されてお
り、プラズマの熱応力で壁面が損傷するのを防止でき
る。

【００５３】また、縮径部ＡのＨ面における金属製の両
壁面１８は、耐熱性の絶縁物にて保護されており、プラ
ズマの熱応力で損傷するのを防止できる。

【００５４】また、熱応力による破損を防ぐために、装
置内に冷却媒体を流す等の特殊な構成が不要となり、構
造が簡単で安価である。

【００５５】さらに、放電室１４のガス圧力が低い状態
での使用に際しても、縮径部Ａにより放電室１４内に圧
力差が生じる。すなわち、縮径部Ａにおいて、プラズマ
用のガスＧの圧力が高くなり、その結果、ガス圧力なら
びに電界の高い縮径部Ａにおいてプラズマが発生し、ガ
スＧの分解効率が高くなる。

【００５６】なお、矩形導波管２やチャンバ４の形状
は、マイクロ波Ｍの導入が行えるものであればよく、特
に断面が矩形のものに限るものではなく、円筒形状等で
あってもよい。

【００５７】また、放電室の先端側におけるＥ面の幅ｅ
は、テーパ状に縮径しているものに限らず、例えば、図
４に示すように、先端が段状に縮径したチャンバ４ａ
や、図５に示すように、先端が複数段に段状に縮径した
チャンバ４ｂであってもよい。

【００５８】また、前記実施の形態のプラズマ発生装置
は、チャンバ４の先端に一本のプラズマガス供給管１０
を設けたものであったが、例えば、チャンバ４の先端に
おけるＨ面の幅方向両側にプラズマガス供給管を設けた
ものでもよい。

【００５９】また、絶縁体１６の形状も立方体に限るも
のではなく、ガスＧを電界の高い中央寄りに導くもので
あればよく、特に形状は限定されない。

【００６０】さらに、前記実施の形態のプラズマ発生装
置では、縮径部Ａに絶縁体１６ならびにＨ面の壁面１８
に耐熱性の絶縁物を設けたが、いずれも設けないもので
もよく、あるいは、いずれか一方のみを設けたものであ
ってもよい。例えば、縮径部ＡのＥ面ならびにＨ面の壁
面に、プラズマの熱応力から壁面を保護する耐熱性の絶
縁物を設けたものであってもよい。

【００６１】

【発明の効果】本発明のプラズマ発生装置は、ガス圧力
の高い状態での使用に際し、プラズマ用のガスの分解効
率が良く、しかも、プラズマの熱応力による装置の破損
を防ぐことができ、かつ、構造が簡単で安価であるとい
う有利な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のプラズマ発生装置の一
部破断正面図

【図２】本実施の一実施の形態のプラズマ発生装置の縦
断側面図

【図３】本実施の一実施の形態のプラズマ発生装置の斜
視図

【図４】本実施のプラズマ発生装置の変形例の一部破断
縦断側面図

【図５】本実施のプラズマ発生装置の他の変形例の一部
破断縦断側面図

【図６】従来のプラズマ発生装置の縦断側面図

【符号の説明】

Ａ 縮径部 Ｇ プラズマ用のガス Ｍ マイクロ波 Ｐ プラズマガス ２ 矩形導波管 ４ チャンバ ６ 真空封じ窓 ８ プラズマ用のガス導入管 １０ プラズマガス供給管 １４ 放電室 １６ 絶縁体

フロントページの続き (72)発明者 近藤 一喜 大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会社ダイヘン内 (72)発明者 天立 茂樹 大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会社ダイヘン内 Ｆターム(参考） 5F004 AA15 BA03 BB29 BB32 BD01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波放電によりプラズマを発生さ
   せるプラズマ発生装置において、 マイクロ波が導入される導波管と、前記導波管に真空封
   じ窓を介して連結され先端側を処理室に接続したチャン
   バとからなり、 前記チャンバは、内部放電室の先端側のＥ面幅が縮径す
   る形状とされ、前記真空封じ窓と前記縮径部との間にプ
   ラズマ用のガス導入管を設けたプラズマ発生装置。
2. 【請求項２】 放電室の先端側のＥ面幅がテーパ状に縮
   径したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装
   置。
3. 【請求項３】 放電室の先端側のＥ面幅が段状に縮径し
   たことを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
4. 【請求項４】 放電室の縮径部におけるＨ面の幅方向両
   側に絶縁体を設けたことを特徴とする請求項１記載のプ
   ラズマ発生装置。
5. 【請求項５】 放電室の縮径部の壁面を耐熱性の絶縁物
   で覆ったことを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生
   装置。