JP2003045848A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 処理チャンバ内におけるマイクロ波の過度の
伝搬を抑制することにより、プラズマの均一性を改善す
るとともにチャンバ内壁の損傷も防ぐことができるプラ
ズマ処理装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 大気よりも減圧された雰囲気を維持可能
な真空チャンバ（２）と、その壁面の一部を占める透過
窓（８）と、その透過窓に隣接して設けられ、その透過
窓を介してマイクロ波を真空チャンバ内に導入する開口
を有するマイクロ波導入部（１０）と、を備え、透過窓
を介して真空チャンバ内に導入されたマイクロ波によっ
てプラズマを生成可能なプラズマ処理装置であって、開
口の周囲に、マイクロ波の伝搬を減衰させるチョーク溝
（２０）が設けられたことを特徴とするプラズマ処理装
置を提供する。

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
に関し、例えばスロットアンテナを利用したマイクロ波
励起型のプラズマ処理装置などにおいて、マイクロ波の
伝播を制御することによりプラズマの拡散を抑制し、均
一なプラズマを生成することが可能なプラズマ処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマを利用したエッチング、アッシ
ング、薄膜堆積あるいは表面改質などのプラズマ処理
は、半導体製造装置や液晶ディスプレイ製造装置をはじ
めとした各種の産業分野において広く利用されている。

【０００３】これらの処理に用いる装置の一例として、
以下、「スロットアンテナ」を用いたマイクロ波励起型
のプラズマ処理装置を例に挙げて説明する。

【０００４】図６は、スロットアンテナを用いたマイク
ロ波励起型プラズマ処理装置の要部構造を表す模式図で
ある。すなわち、同図（ａ）は、その全体構造を例示す
る断面図であり、同図（ｂ）は、矢印Ａの方向からスロ
ットアンテナを眺めた平面図である。

【０００５】図６のプラズマ処理装置は、真空チャンバ
１０２と、その中に設けられた載置台１０４とを有す
る。チャンバ１０２の内部は、同図に矢印Ｅで表したよ
うに、排気口１０６を介して図示しない真空ポンプによ
り真空排気される。エッチングなどのプラズマ処理が施
される被処理物Ｓは載置台１０４に設置される。載置台
１０４の上方には、透過窓１０８を介してスロットアン
テナ１１０が設けられ、スロットアンテナ１１０は、導
波管１１２に接続されている。

【０００６】スロットアンテナ１１０の中央付近には、
スリット状の開口としてのスロット１１０Ｓが設けられ
ている。マイクロ波は、導波管１１２の中を矢印Ｍの方
向に導波され、スロット１１０Ｓから透過窓１０８を介
してチャンバ１０２の内部空間に導入される。

【０００７】一方、チャンバ１０２の内部は、真空排気
され且つ所定のガスが導入されて適当な圧力状態が保持
され、透過窓１０８を介して導入されたマイクロ波によ
ってプラズマＰが形成される。このようにして形成され
たプラズマＰの作用によって、被処理物Ｓにエッチング
や表面改質などの所定のプラズマ処理が施される。

【０００８】このようなスロットアンテナ方式の場合、
スロット１１０Ｓからマイクロ波を広範囲に照射し、プ
ラズマＰを発生させることができるという特徴を有す
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなマ
イクロ波励起型のプラズマ処理装置においては、マイク
ロ波がチャンバ内に広く伝搬することにより、生成され
るプラズマが不均一になり、またチャンバ内壁が損傷を
受けるという問題があった。

【００１０】すなわち、図６において矢印Ｗで表したよ
うに、マイクロ波が表面波となってチャンバ１０２の内
部側壁まで伸びると、側壁近傍で濃いプラズマが生成さ
れる。その結果として、被処理物Ｓにおけるプラズマ処
理の面内均一性が悪化することがある。例えば、エッチ
ングをする場合には、被処理物Ｓの中央付近よりも外周
付近においてエッチング量が大きくなるような面内不均
一が生ずる。

【００１１】また、プラズマＰがチャンバ１０２の内部
側壁まで広がると、チャンバの内壁面にコートされたア
ルマイト（Ａｌ_２Ｏ_３）がスパッタあるいはエッチング
され、さらにチャンバ１０２の主要構成材料であるアル
ミニウム（Ａｌ）もスパッタあるいはエッチングされ
て、チャンバ内が金属汚染される虞もある。

【００１２】これらの問題は、プラズマ処理の際の圧力
にも依存する。すなわち、圧力が高い（真空度が低い）
と、マイクロ波が表面波としてチャンバ内を伝搬する際
の平均自由行程が短くなるため、プラズマＰの不均一や
チャンバ側壁のエッチングなどは相対的に低くなる。こ
れに対して、プラズマ処理の際の圧力が低くなると、チ
ャンバ内におけるマイクロ波の平均自由行程が長くなる
ため、プラズマの不均一やチャンバ側壁などの問題は相
対的に深刻となる。

【００１３】これらの問題を抑制するためには、プロセ
ス条件を最適化し、プラズマの拡散を制御して均一性を
改善し、さらにチャンバ側壁を保護する必要がある。こ
のために、プラズマ処理のプロセス条件に大きな制約を
課すことになっていた。

【００１４】例えば、近年の半導体や液晶ディスプレイ
などの製造に際しては、プロセス温度の低温化が要求さ
れる場合が多い。この要求に応えるために、プラズマ処
理装置の場合には、処理を低圧（高い真空度）で実施す
る必要がある。これは、圧力を低くしたほうがプラズマ
源などからの被処理物への熱の流入を抑制てきるからで
ある。しかし、前述したように、プラズマ処理の際の圧
力を低くするとマイクロ波の平均自由行程が長くなって
チャンバ側壁に広がり、プラズマの不均一やチャンバ側
壁のエッチングなどの問題が顕著となる。

【００１５】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものであり、その目的は、処理チャンバ内におけ
るマイクロ波の過度の伝搬を抑制することにより、プラ
ズマの均一性を改善するとともにチャンバ内壁の損傷も
防ぐことができるプラズマ処理装置を提供することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のプラズマ処理装置は、大気よりも減圧され
た雰囲気を維持可能な真空チャンバと、前記真空チャン
バの壁面の一部を占める透過窓と、前記透過窓に隣接し
て設けられ、前記透過窓を介してマイクロ波を前記真空
チャンバ内に導入する開口を有するマイクロ波導入部
と、を備え、前記透過窓を介して前記真空チャンバ内に
導入されたマイクロ波によってプラズマを生成可能なプ
ラズマ処理装置であって、前記開口の周囲に、前記マイ
クロ波の伝搬を減衰させるチョーク溝が設けられたこと
を特徴とする。

【００１７】上記構成によれば、チョーク溝を設けるこ
とよってマイクロ波の過度の伝搬を抑制し、プラズマの
分布を適正化できるとともに、チャンバ内壁の損傷も防
ぐことができる。

【００１８】ここで、前記チョーク溝は、前記プラズマ
の自由空間波長λに対して略λ／４の伝搬経路長を有す
るものとすれば、マイクロ波を高い効率で減衰させ短絡
終端できる。

【００１９】また、前記チョーク溝は、前記マイクロ波
導入部の前記透過窓に面した側の表面に設けることがで
きる。

【００２０】または、前記チョーク溝は、前記透過窓の
表面に設けても良い。

【００２１】また、複数の前記チョーク溝を設けること
により、マイクロ波をより確実に終端させ、あるいは複
数の波長のマイクロ波や第２高調波に対しても終端作用
を得ることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００２３】図１は、本発明の実施の形態にかかるプラ
ズマ処理装置の要部構造を表す模式図である。すなわ
ち、同図（ａ）は、その全体構造を例示する断面図であ
り、同図（ｂ）は、矢印Ａの方向からスロットアンテナ
を眺めた平面図である。

【００２４】すなわち、本実施形態のプラズマ処理装置
は、図６に例示したものと同様のスロットアンテナ方式
のマイクロ波励起型プラズマ処理装置であり、真空チャ
ンバ２と、その中に設けられた載置台４とを有する。チ
ャンバ２の内部は、同図に矢印Ｅで表したように、排気
口６を介して図示しない真空ポンプにより真空排気され
る。エッチングなどのプラズマ処理が施される被処理物
Ｓは載置台４に設置される。載置台４の上方には、透過
窓８を介してスロットアンテナ１０が設けられている。
スロットアンテナ１０は、導波管１２に接続されてい
る。

【００２５】透過窓８は、石英やアルミナあるいはサフ
ァイアなどの誘電率が高い材料により形成され、チャン
バ２の内部の真空を維持しつつマイクロ波をチャンバ内
に導入する役割を有する。

【００２６】スロットアンテナ１０の中央付近には、開
口状のスロット１０Ｓが設けられてスロットアンテナを
形成している。マイクロ波は、導波管１２を矢印Ｍの方
向に導波される。より詳しくは、マイクロ波の電界方向
が透過窓８の表面に対して垂直な方向に導波される。ス
ロット１０Ｓは、図１（ｂ）に例示した如く、マイクロ
波の導波方向に対して平行に設けられたスリット状の開
口であり、スロット１０Ｓから放射されたマイクロ波
は、透過窓８を介してチャンバ２の内部空間に導入され
る。

【００２７】チャンバ２の内部は、真空排気され且つ所
定のガスが導入されて適当な圧力状態が保持され、透過
窓８を介して導入されたマイクロ波によってプラズマＰ
が形成される。このようにして形成されたプラズマＰの
作用によって、被処理物Ｓにエッチングや表面改質など
の所定のプラズマ処理が施される。

【００２８】このようなスロットアンテナ方式の場合、
スロット１０Ｓからマイクロ波を広範囲に照射し、プラ
ズマＰを発生させることができるという特徴を有する。

【００２９】そして、本発明においては、スロットアン
テナ１０の外周部のチャンバ側の面に、λ／４サイズの
チョーク溝２０が設けられている。プラズマＰの拡散は
マイクロ波の伝播によっているため、スロットアンテナ
１０のチャンバ側の外周部にλ／４サイズのチョーク溝
構造の溝を掘ることによって、マイクロ波の伝播により
発生する表面電流を遮断し、プラズマの拡散を制御、抑
制してチャンバ側壁へのダメージも減らすことができ
る。

【００３０】図２は、本発明のプラズマ処理装置におけ
るチョーク溝２０の作用を説明するための概念図であ
る。すなわち、同図（ａ）は本発明のプラズマ処理装置
のチョーク溝近傍の要部断面図であり、同図（ｂ）は比
較例としてチョーク溝を設けない場合のマイクロ波の伝
搬を表す説明図である。

【００３１】図２（ａ）及び（ｂ）においては、チャン
バ２、１０２の上端部においてシール用のＯリング３
０、１３０を介して石英などの透過窓８、１０８が設け
られ、その上にスロットアンテナ１０、１１０が設置さ
れている。そして、導波管を介して導波されたマイクロ
波は、スロット１０Ｓ、１１０Ｓから導入される。

【００３２】マイクロ波は、物体表面を表面電流として
伝搬しやすい。表面電流の経路は、図２（ａ）及び
（ｂ）において矢印で表した如くである。まず、図２
（ｂ）について説明すると、チョーク溝を設けない場合
には、スロット１１０Ｓから導入されたマイクロ波は、
透過窓１０８の表面を伝搬し、その表面、側面及び裏面
において表面電流を形成するとともに、その一部は、チ
ャンバ１０２の側壁に伝搬する。その結果として、プラ
ズマＰは、チャンバ１０２の側壁部まで広がり、周囲に
おいて密度が高くなる不均一が発生する。同時に、チャ
ンバ１０２の側壁がスパッタリングやエッチングにより
損傷を受ける場合がある。

【００３３】これに対して、チョーク溝２０を設ける
と、図２（ａ）に例示したように、透過窓８の外周部に
おいてマイクロ波の表面電流を短絡終端することができ
る。すなわち、同図に例示した構造の場合、チョーク溝
２０は断面が略Ｌ字型の溝状の形態を有し、その入り口
２０Ａから終端壁面２０Ｂまでのマイクロ波伝搬経路２
０Ｌの経路長が、マイクロ波の自由空間波長λに対して
約λ／４とされている。このような経路長を有する溝状
のチョーク溝２０は、電磁波を減衰する空洞として作用
し、伝搬するマイクロ波を短絡終端することができる。

【００３４】つまり、チョーク溝２０を設けることによ
り、透過窓８の外周側面からチャンバ２の側壁へのマイ
クロ波の伝搬を遮断し、チャンバ２の側壁へのプラズマ
Ｐの拡散を抑制できる。その結果として、プラズマＰの
均一性が改善され、同時に、チャンバ２の側壁の損傷も
防ぐことができる。

【００３５】例えば、半導体装置や液晶ディスプレイ装
置などの製造の際に行われるエッチングについて説明す
ると、従来は、ガス圧力が１００〜２００Ｐａ（パスカ
ル）程度の比較的高い圧力条件で行われることが多かっ
た。

【００３６】しかし、近年、例えば、レジストなどに対
する熱的な負荷を低減するために、低温のプロセスが必
要とされ、ガス圧力が１０Ｐａ程度の低い圧力条件にお
いてエッチングなどのプロセスを実行する必要が生ずる
場合がある。これは、プラズマ生成部などの周囲の環境
から被処理物への熱の流入を抑制するためである。

【００３７】これに対して、チョーク溝を設けない従来
の構成のプラズマエッチング装置の場合には、マイクロ
波の平均自由行程が長くなるために、チャンバの側壁ま
でマイクロ波が伝搬し、プラズマ生成領域が広がって、
その密度分布が外側で高く不均一になるとともに、チャ
ンバの側壁がプラズマにより損傷されるなどの問題があ
った。

【００３８】これに対して、本発明によれば、チョーク
溝２０を設けることによって、低い圧力条件においても
マイクロ波の過度の伝搬を抑制し、これらの問題を解消
することができる。その結果として、低温でのエッチン
グ、アッシング、薄膜堆積あるいは表面改質などのプロ
セスが安定して実現可能となる。次に、本発明の変型例
について説明する。

【００３９】図３は、本発明のプラズマ処理装置の変型
例を表す要部断面図である。同図については、図１乃至
図２に表したものと同様の要素には同一の符号を付して
詳細な説明は省略する。

【００４０】すなわち、本変型例においては、マイクロ
波を短絡終端するためのチョーク溝２０が、スロットア
ンテナ１０の裏面側において同心円状に複数設けられて
いる。このように複数のチョーク溝２０を設ければ、マ
イクロ波の伝搬をより確実に終端することができる。な
お、図３においては、２つのチョーク溝２０が設けらけ
た場合を例示したが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、３つ以上のチョーク溝を設けてもよい。

【００４１】また、このように複数のチョーク溝２０を
設ける場合には、隣接するチョーク溝２０の間隔Ｌをマ
イクロ波の波長λに対してλ／４とするとより効果的に
短絡終端できる。

【００４２】図４は、本発明のプラズマ処理装置の第２
の変型例を表す要部断面図である。同図については、図
１乃至図３に表したものと同様の要素には同一の符号を
付して詳細な説明は省略する。

【００４３】すなわち、本変型例においては、石英など
の透過窓８の表面にもマイクロ波を短絡終端するための
チョーク溝２０が設けられている。このように透過膜８
にもチョーク溝２０を設ければ、マイクロ波の伝搬をよ
り確実に終端することができる。 なお、図４において
は、スロットアンテナ１０と透過窓８の両方にスロット
２０を形成した場合を例示したが、透過窓８の側のみに
チョーク溝を設けても良い。また一方、図３に関して前
述したように、透過窓８に複数のチョーク溝を設けても
よい。

【００４４】図５は、本発明のプラズマ処理装置の第３
の変型例を表す要部断面図である。同図については、図
１乃至図３に表したものと同様の要素には同一の符号を
付して詳細な説明は省略する。

【００４５】すなわち、本変型例においては、スロット
アンテナ１０の裏面に複数のチョーク溝２０１、２０２
が設けられている。そして、これらチョーク溝２０１、
２０２は、マイクロ波の伝搬経路長が互いに異なる。

【００４６】例えば、マイクロ波の波長λに対して、チ
ョーク溝２０１の溝内の伝搬経路長２０１Ｌをλ／４と
し、チョーク溝２０２の溝内の伝搬経路長２０２Ｌをλ
／８とすると、波長λのマイクロ波の第２高調波、すな
わち波長λ／２の高調波を効果的に短絡終端できる。

【００４７】また、複数の波長のマイクロ波を適宜切り
替えて用いるような場合には、チョーク溝２０１、２０
２の溝内の伝搬経路長を、それぞれの波長に応じたλ／
４長とすることにより、いずれの波長のマイクロ波につ
いても、効果的に短絡終端できる。

【００４８】本変型例においても、チョーク溝の数は２
つには限定されず、高調波の種類や使用するマイクロ波
の波長の種類に応じて３つ以上のチョーク溝を適宜設け
てもよい。

【００４９】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。

【００５０】例えば、本発明において、マイクロ波を放
射するためのスロットの形状は、図示した如き矩形状に
は限定されず、例えば、特許第２８５７０９０号公報に
おいて開示されているように、マイクロ波の導波方向に
対して手前側が広く、導波管の終端反射面に近い方が狭
くなるような開口形状を有するものであってもよい。

【００５１】また、そのスロットの長さについても、マ
イクロ波の波長λに対して、ｎλ／２からｎλ／２＋λ
／８の範囲内とすることができる。

【００５２】またさらに、そのようなスロットの長さ方
向の中心が、導波管の終端反射面からマイクロ波の波長
λの距離に位置するようにすることができる。

【００５３】また、本発明においては、チョーク溝によ
ってマイクロ波を短絡終端してプラズマの生成分布を制
御することができる。そこで、チョーク溝の位置を移動
可能とすれば、プラズマの生成分布を可変にでき便利で
ある。例えば、被処理物のサイズに応じて、チョーク溝
の設置位置を調節可能とすれば、被処理物のサイズに応
じて均一な分布のプラズマを効率的に生成することがで
き、且つ、プラズマの使用効率を上げることができる。

【００５４】さらに具体的には、例えばチョーク溝とな
るべき開口を大きめに形成しておき、詰め物あるいはス
ペーサなどをその開口内に適宜はめ込んで、チョーク溝
の位置やサイズを変えることが可能である。

【００５５】あるいは、チョーク溝となるべき複数の開
口を予め形成しておき、所定の開口を除いて他の開口を
詰め物などにより塞ぐことにより、複数のチョーク溝の
うちの必要なもののみを利用することができる。

【００５６】またさらに、チョーク溝となるべき開口に
誘電体などの材料を適宜挿入することにより、マイクロ
波の伝搬経路長を調節してチョーク溝の実効的なサイズ
を変えたのと同様の効果が得られる。

【００５７】一方、本発明は、スロットアンテナ方式の
プラズマ処理装置には限定されず、その他、各種の構成
を有するマイクロ波励起型のプラズマ処理装置に亘って
適用して同様の作用効果が得られ、これらの各種のマイ
クロ波励起型のプラズマ処理装置も本発明の範囲に包含
される。

【００５８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
チョーク溝を設けることにより、透過窓の外周側面から
チャンバの側壁へのマイクロ波の伝搬を遮断し、チャン
バの側壁へのプラズマの拡散を抑制できる。その結果と
して、プラズマの均一性が改善され、同時に、チャンバ
の側壁の損傷も防ぐことができる。

【００５９】その結果として、例えば、半導体装置や液
晶ディスプレイ装置などの製造に際して、従来よりも低
い圧力条件においてエッチングなどのプラズマ処理を安
定して実施することができ、プロセスの低温化を実現で
き、産業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置
の要部構造を表す模式図である。

【図２】本発明のプラズマ処理装置におけるチョーク溝
２０の作用を説明するための概念図であり、（ａ）は本
発明のプラズマ処理装置のチョーク溝近傍の要部断面
図、（ｂ）はチョーク溝を設けない場合のマイクロ波の
伝搬を表す説明図である。

【図３】本発明のプラズマ処理装置の変型例を表す要部
断面図である。

【図４】本発明のプラズマ処理装置の第２の変型例を表
す要部断面図である。

【図５】本発明のプラズマ処理装置の第３の変型例を表
す要部断面図である。

【図６】スロットアンテナを用いたマイクロ波励起型プ
ラズマ処理装置の要部構造を表す模式図である。

【符号の説明】

２ 真空チャンバ ４ 載置台 ６ 排気口 ８ 透過窓 １０ スロットアンテナ １０Ｓ スロット １２ 導波管 ２０、２０１、２０２ チョーク溝 ２０Ａ 入り口 ２０Ｂ 終端壁面 ２０Ｌ、２０１Ｌ、２０２Ｌ マイクロ波伝搬経路 ３０ Ｏリング １０２ 真空チャンバ １０４ 載置台 １０６ 排気口 １０８ 透過窓 １１０ スロットアンテナ １１０Ｓ スロット １１２ 導波管 Ｐ プラズマ Ｓ 被処理物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ Ｆターム(参考） 4G075 AA24 AA30 BA05 BC06 BD14 CA26 CA47 DA02 EC30 4K029 DC27 DC48 4K030 FA01 KA15 KA30 5F004 AA01 BA20 5F045 AA09 BB02 DQ10 EH02 EH03 EH19

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大気よりも減圧された雰囲気を維持可能な
   真空チャンバと、 前記真空チャンバの壁面の一部を占める透過窓と、 前記透過窓に隣接して設けられ、前記透過窓を介してマ
   イクロ波を前記真空チャンバ内に導入する開口を有する
   マイクロ波導入部と、 を備え、 前記透過窓を介して前記真空チャンバ内に導入されたマ
   イクロ波によってプラズマを生成可能なプラズマ処理装
   置であって、 前記開口の周囲に、前記マイクロ波の伝搬を減衰させる
   チョーク溝が設けられたことを特徴とするプラズマ処理
   装置。
2. 【請求項２】前記チョーク溝は、前記プラズマの自由空
   間波長λに対して略λ／４の伝搬経路長を有することを
   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】前記チョーク溝は、前記マイクロ波導入部
   の表面に設けられたことを特徴とする請求項１または２
   に記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】前記チョーク溝は、前記透過窓の表面に設
   けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のプ
   ラズマ処理装置。
5. 【請求項５】複数の前記チョーク溝が設けられたことを
   特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラズ
   マ処理装置。