JP2003264099A

JP2003264099A - プラズマ発生装置

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Publication number: JP2003264099A
Application number: JP2002064450A
Authority: JP
Inventors: Petrov Ganashev Ivan; イヴァンペトロフガナシェフ
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-19
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP3866590B2

Abstract

(57)【要約】【課題】広いプラズマ密度範囲でマイクロ波吸収率が
高く、連続的なプラズマ密度制御を実現して、密度ジャ
ンプを緩和することが可能なプラズマ発生装置を提供す
る。【解決手段】処理室１、マイクロ波導入口２、導波誘
電体３を備える。角筒形状の導波誘電体３を、処理室１
の内壁に沿って螺旋状に形成する。導波誘電体３の長さ
を、マイクロ波吸収長よりも長く形成する。導波誘電体
３の断面サイズは、入り口から離れるに従って徐々に小
さくなってカットオフ断面サイズに近づいて行き、端部
においてはカットオフ断面サイズよりも小さくする。導
波誘電体３に入ったマイクロ波は、カットオフ断面サイ
ズとなった付近で、カットオフ状態となり吸収され、プ
ラズマが生成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロセスガスにマ
イクロ波を導入することにより生成されるプラズマによ
って、被処理物の処理を行なうためのプラズマ発生装置
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に対して、ド
ライエッチングやアッシング等を施すための装置とし
て、プラズマ処理装置が存在する。このようなプラズマ
処理装置としては、被処理物の被処理面の全面にわたっ
て処理速度が均一となるように、生成プラズマの密度分
布が均一であることが望ましい。特に、近年では、低コ
スト化の観点から、半導体ウエハの大口径化が進んでお
り、大面積の処理対象に対するプラズマ密度の均一性が
強く求められている。

【０００３】かかる要求に応えるプラズマ処理装置とし
て、マイクロ波プラズマ装置が開発されている。このマ
イクロ波プラズマ装置は、低圧のプロセスガスを導入し
た処理室内に、被処理物を収容し、高周波電力をアンテ
ナに供給することにより発生するマイクロ波を、処理室
に設けられた導入口から導入するものである。つまり、
マイクロ波のプロセスガスへの照射によって生成される
プラズマを利用して、被処理物に対する処理等を施すこ
とができる。このタイプのプラズマ処理装置は、他のプ
ラズマ処理装置のように磁場を用いないため、比較的容
易に製作でき、大面積に均一にプラズマを生成できると
いう利点がある。

【０００４】ところで、上記のようなマイクロ波プラズ
マ装置においては、比較的高い電力密度のマイクロ波を
導入することにより、マイクロ波入射面付近のプラズマ
中の電子密度が、マイクロ波のカットオフ密度よりも大
きくなる。従って、マイクロ波は、プラズマ中を伝搬で
きない状態となり、入射面付近の非常に薄い領域におい
て表面波として伝搬し、そのエネルギーが電子に移行し
てプラズマが生成される。

【０００５】以上のように、無磁場で、電子密度がカッ
トオフ密度よりも高いマイクロ波プラズマにおいては、
マイクロ波が僅かの深さしか入らず、プラズマが、誘電
体との境面に沿って伝搬する表面波により生成される。
この表面波には、波長（位相差が２πになる距離）と吸
収長（パワーがｅ^２＝２．７１８^２＝７．３８９倍に下
がる距離）があり、両方とも電子密度に依存し、吸収長
がガス圧力に反比例している。特に、半導体プロセスに
使われている低圧プラズマの場合では、吸収長が処理室
よりも長いので、表面波が殆ど吸収されずに、発信器側
へ反射されるので、パワー吸収率が低い。

【０００６】但し、特別な電子密度においては、導波体
の長さなどの半波長の整数倍となって表面波共振が生
じ、パワー吸収率が高くなる。この電子密度（以下、共
振密度と呼ぶ）が、パワー吸収率の高い特別なプラズマ
密度である。このような特別な共振密度はいくつかあっ
て、それらのプラズマ密度の差は、１０〜５０％になる
場合が多い。従って、発振器からのマイクロ波パワーを
上げると、プラズマ密度は連続的に上がるのではなく、
１０〜５０％の段差で、次々と共振密度へジャンプする
ことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
マイクロ波プラズマ装置においては、プラズマ密度ジャ
ンプが生じてしまうので、再現性が得られなかったり、
放電が不安定になってしまい、被処理物に対して、所望
の均一な処理を行なうことが困難となる。

【０００８】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
広いプラズマ密度範囲でマイクロ波吸収率が高く、連続
的なプラズマ密度制御を実現して、密度ジャンプを緩和
することが可能なプラズマ発生装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、低圧ガスを収容可能な処理
室と、プラズマ発生用のマイクロ波を前記処理室内へ導
入する導波体とを備えたプラズマ処理装置において、前
記導波体は、マイクロ波のプラズマ吸収長よりも長いこ
とを特徴とする。以上のような請求項１記載の発明で
は、導波体の長さがマイクロ波吸収長よりも長いので、
マイクロ波の反射が抑制され、パワー吸収率が高くな
る。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載のプ
ラズマ発生装置において、前記導波体は、前記処理室内
に曲部を持たせて配設されていることを特徴とする。以
上のような請求項２記載の発明では、マイクロ波吸収長
が、処理室の寸法（直径、高さ等）よりも長い場合であ
っても、導波体に曲部を構成することによって、マイク
ロ波吸収長よりも長い導波体を処理室内に配設すること
ができる。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載のプラズマ発生装置において、前記導波体は、
マイクロ波の入り口から先端までの間のいずれかにおい
て、カットオフ状態となるように形成されていることを
特徴とする。以上のような請求項３記載の発明では、マ
イクロ波の入り口から先端までの間のいずれかでカット
オフ状態となり、その付近でマイクロ波が吸収される。
プラズマ密度を変化させても、マイクロ波の入り口から
先端までのいずれかにおいてカットオフ状態となるの
で、連続的な密度制御ができ、マイクロ波吸収率を高め
ることができる。

【００１２】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載のプラズマ発生装置において、前記導
波体は、複数設けられていることを特徴とする。以上の
ような請求項４記載の発明では、複数の導波体によっ
て、処理対象に応じた所望の分布のプラズマが得られ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態（以
下、実施形態と呼ぶ）について図面を参照して具体的に
説明する。〔１．実施形態の構成〕本実施形態のプラズマ処理装置
は、図１に示すように、処理室１、マイクロ波導入口
２、導波誘電体３を備えている。処理室１は、円筒形の
容器であり、その内部に低圧のプロセスガスを導入可能
に設けられている。また、図示はしないが、処理室１内
には、被処理物を載置する処理台が設けられている。マ
イクロ波導入口２は、処理室１の側壁上部に形成されて
おり、マイクロ波の発信器に接続されている。

【００１４】導波誘電体３は角筒形状であり、処理室１
の内壁に沿って螺旋状に形成されている。導波誘電体３
の長さは以下のように設定する。まず、目標の電子密
度、ガス圧力範囲、導波体の種類、断面寸法を参考にし
て、計算若しくは実験により最長のマイクロ波吸収長を
求める。そして、このマイクロ波吸収長よりも、導波誘
電体３を長く形成する。

【００１５】また、導波誘電体３の断面は、カットオフ
を考慮して、以下のように設定する。まず、前提とし
て、カットオフ断面サイズについて説明する。すなわ
ち、同じ材料で形成した導波体であれば、断面が十分に
大きい場合にはマイクロ波が通れるが、断面があるサイ
ズよりも小さくなるとマイクロ波が通れなくなる。この
制限断面サイズは、カットオフ断面サイズと呼ばれ、通
常の導波管は、その全長にわたってカットオフ断面サイ
ズよりも大きく形成されている。

【００１６】一方、本実施形態における導波誘電体３
は、マイクロ波の入り口側の断面サイズを、カットオフ
断面サイズよりも十分大きく形成して、入り口から離れ
るに従って、断面サイズが徐々に小さくなるようにし、
導波誘電体３の端部付近においては、カットオフ断面サ
イズよりも十分小さく形成する。

【００１７】〔２．実施形態の作用〕以上のような本実
施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、図２に
示すように、処理台上に被処理物Ｂを載置し、処理室１
内に低圧のプロセスガスを導入する。そして、マイクロ
波発信器からのマイクロ波Ｗを、マイクロ波導入口２か
ら導入する。このとき、例えば、マイクロ波が導入され
る導波管が、単純に全長にわたってカットオフ断面サイ
ズであった場合には、これにより高い吸収率を実現する
ことはできない。その理由の第１は、カットオフ状態で
の導波体インピーダンスは、通常の導波体インピーダン
スと大きく異なり、通常の導波体からカットオフ状態の
導波体へマイクロ波を直接導入することはできないこと
にある。つまり、通常の状態からカットオフ状態への滑
らかな変換が必要となる。理由の第２は、プラズマを含
む場合では、導波体のカットオフ断面サイズはそのプラ
ズマの電子密度に依存するので、ある決まった電子密度
だけでカットオフになる。従って、連続的な密度制御は
できない。

【００１８】一方、本実施の形態においては、導波誘電
体３の入り口側は、カットオフ断面サイズよりも大きく
形成されているので、マイクロ波Ｗが反射せずに導波体
に導入される。そして、導波誘電体３の断面サイズは、
入り口から離れるに従って徐々に小さくなってカットオ
フ断面サイズに近づいて行き、端部においてはカットオ
フ断面サイズよりも小さくなる。このため、導波誘電体
３の入り口から端部までの間のいずれかにおいて、カッ
トオフ断面サイズとなっている。カットオフ状態の特徴
の一つは、マイクロ波吸収率が非常に高くなることにあ
る。従って、そのカットオフ断面サイズとなった付近
で、カットオフ状態となり、マイクロ波が吸収される。
つまり、カットオフ断面でマイクロ波Ｗが導波誘電体３
から漏れ、漏れた表面の付近で電子を加速し、加速され
た電子によるイオン化を起こし、プラズマＰが生成され
る。

【００１９】なお、プラズマＰの電子密度が変わると、
カットオフ断面サイズが変化する。しかし、本実施形態
においては、導波誘電体３の入り口の断面が、カットオ
フ断面サイズよりも十分に大きく、端部の断面がカット
オフ断面サイズよりも十分に小さく作られているので、
上記のカットオフ点が導波誘電体３の長さ方向に沿って
シフトする。これを模式的に示した図が、図３である。
図３において、Ｃはカットオフ断面、Ｚはマイクロ波吸
収領域を示す。このように、電子密度の変化によりカッ
トオフ断面サイズが変っても、入り口から端部までの間
のいずれかの箇所でカットオフとなり、高い吸収率を得
られる。例えば、本実施形態について行なったシミュレ
ーションでは、マイクロ波パワー吸収率が９０％よりも
大きくなるという結果が得られた。

【００２０】〔３．実施形態の効果〕以上のような本実
施形態によれば、導波誘電体３の長さがマイクロ波吸収
長よりも長いので、マイクロ波の反射が抑制され、パワ
ー吸収率が高くなる。特に、導波誘電体３は螺旋状に形
成されているので、処理室１の寸法にかかわらず、長さ
を確保することができる。

【００２１】また、プラズマ密度を変化させても、導波
誘電体３の入り口から先端までの間のいずれかにおい
て、カットオフ状態となるので、その付近でマイクロ波
が吸収される。従って、連続的な密度制御を行なっても
密度ジャンプを生じることがなく、マイクロ波の吸収率
を高めることができる。

【００２２】〔４．他の実施形態〕本発明は、上記のよ
うな実施形態に限定されるものではなく、各部材の形
状、数、配置、材質、大きさ等は適宜変更可能である。
すなわち、誘電体の形状は螺旋形には限定されない。例
えば、図４に示すように、蛇行形状の導波誘電体３であ
ってもよい。また、誘電体の数は一本には限定されな
い。例えば、請求項３記載の発明に対応する実施形態と
して、図５に示すように、複数の螺旋形の導波誘電体３
を設けたり、図６に示すように、曲げのない形の導波誘
電体３を多数設けてもよい。さらに、導波体の断面形状
も自由に設定可能であり、また、必ずしも処理室の内壁
に沿わせる必要はない。例えば、図７に示すように、円
筒形、半円筒形、角形等、種々の導波誘電体３を設ける
ことができる。

【００２３】導波体の材質はどのようなものであっても
よい。特に、外側が誘電体であれば、その中は何であっ
てもよい。ただし、材料、寸法等によって吸収長は異な
る。例えば、図８に示すように、外側を導波誘電体３と
して、その中を別材料３ａとしてもよい。別材料の例と
しては、空気、ガス、金属、他の誘電体、液体、冷却媒
体等どのようなものであってもよく、真空としてもよ
い。

【００２４】また、上記の実施形態のように、マイクロ
波の入り口と先端とで導波体の断面の大きさを変えるの
ではなく、断面の形状や材質（誘電率の異なるもの）を
変えることによって、導波体長のいずれかで、カットオ
フ状態を実現できるように構成し、マイクロ波を吸収さ
せるようにしてもよい。また、処理室の形状やマイクロ
波導入口の位置等も自由である。さらに、本発明による
処理対象となる被処理物は特定のものには限定されず、
処理を担うプラズマ中のイオンやラジカル等は被処理物
に応じて最適化される。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
広いプラズマ密度範囲でマイクロ波吸収率が高く、連続
的なプラズマ密度制御を実現して、密度ジャンプを緩和
することが可能なプラズマ発生装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ発生装置の一実施形態を示す
縦断面図である。

【図２】図１の実施形態におけるマイクロ波によるプラ
ズマ生成状態を示す縦断面図である。

【図３】誘電体におけるカットオフ断面のシフト状態を
示す模式図である。

【図４】本発明のプラズマ発生装置の導波誘電体を蛇行
形状とした一実施形態を示す縦断面図である。

【図５】本発明のプラズマ発生装置の導波誘電体を、複
数とした一実施形態を示す縦断面図である。

【図６】本発明のプラズマ発生装置の導波誘電体を、複
数とした一実施形態を示す縦断面図である。

【図７】本発明のプラズマ発生装置における導波誘電体
の形状の例を示した断面図であり、（ａ）は円筒形、
（ｂ）は半円筒形、（ｃ）（ｄ）は角筒形の例を示す。

【図８】本発明のプラズマ発生装置における導波誘電体
の形状及び材質の例を示した断面図であり、（ａ）は円
筒形、（ｂ）は半円筒形、（ｃ）（ｄ）は角筒形の例を
示す。

【符号の説明】

１…処理室２…マイクロ波導入口３…導波誘電体３ａ…別材料Ｂ…被処理物Ｐ…プラズマＷ…マイクロ波Ｚ…マイクロ波吸収領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低圧ガスを収容可能な処理室と、プラズ
マ発生用のマイクロ波を前記処理室内へ導入する導波体
とを備えたプラズマ処理装置において、前記導波体は、マイクロ波のプラズマ吸収長よりも長い
ことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】前記導波体は、前記処理室内に曲部を持
たせて配設されていることを特徴とする請求項１記載の
プラズマ発生装置。
【請求項３】前記導波体は、マイクロ波の入り口から
先端までの間のいずれかにおいて、カットオフ状態とな
るように形成されていることを特徴とする請求項１又は
請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】前記導波体は、複数設けられていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラ
ズマ発生装置。