JP2004235430A - Plasma generator - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma generator capable of introducing gas uniformly while preventing abnormal discharge and abnormal growth of a film. <P>SOLUTION: The plasma generator comprises a reactor connected with a microwave generator and generating plasmas with a microwaves generated by the microwave generator, a guide passage 10b for supplying gas to the reactor, and at least one nozzle 10a for coupling the rector with the guide passage 10b wherein the transmissivity T of the microwaves from the reactor to the nozzle substantially satisfies equation 1, where L<SB>1</SB>: length of the nozzle in the advancing direction of gas, A<SB>1</SB>: long diameter of the nozzle in the direction perpendicular to the advancing direction of gas, and λ: wavelength of a microwave in the reactor. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

ここで、Ｌ_１：前記ノズルのガス進行方向における長さ
Ａ_１：前記ノズルのガス進行方向と垂直な方向の長径
λ：前記反応器内のマイクロ波の波長である。
マイクロ波の透過率Ｔを前記式（１）を満たすようにノズルを設計することで、マイクロ波が導入部へ進入するのを低減することができる。よって、導入部内において異常放電や膜の異常成長等が生じる問題を低減し、また概ね均一なガス供給をすることができる（以下、“均一”とは、“概ね均一”を言うものとする）。
【０００７】
本願第２発明は、前記第１発明において、前記ノズル内のガスのコンダクタンスＣ_１と前記導入路内のガスのコンダクタンスＣ_２との比が、下記式（２）を満たすプラズマ発生装置を提供する。
【０００８】
【数４】

ここで、Ｘ：前記導入路に連結される前記ノズルの個数である。
導入路とノズルとのガスのコンダクタンスの比を、導入路に連結されたノズルの個数以上にすることで、ノズルを介して導入路から反応器に概ね均一にガスを供給することができる。
本願第３発明は、前記第２発明において、前記透過率Ｔが１％以下であるプラズマ発生装置を提供する。
【０００９】
反応器からノズルを介して導入されるマイクロ波の透過率Ｔが１％以下となるようなマイクロ波遮断構造とすることで、異常放電や膜の異常成長をさらに低減することができる。
本願第４発明は、前記第１発明において、前記マイクロ波発生手段に接続され、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状であり、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波の電界強度分布を、前記反応器内でプラズマ処理を施す試料の処理面に沿って概ね均一にする、第１誘電体と、前記プラズマを用いて前記試料を処理する処理手段とを有するプラズマ発生装置を提供する。
【００１０】
第１誘電体が矩形状を有しているので、マイクロ波の電界強度分布が試料の処理面に沿って全体として均一となる。よって、その均一なマイクロ波により均一にプラズマが発生し、このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって均一な薄膜形成が可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化が生じても、マイクロ波が伝播する領域が矩形状であるためマイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
【００１１】
本願第５発明は、前記第４発明において、前記第１誘電体の下部に設けられ、少なくとも一つのスロットが形成されており、前記第１誘電体内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板と、前記スロット板と前記反応器との間に設けられ、前記スロット板から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状の第２誘電体とを有するプラズマ発生装置を提供する。
第２誘電体が矩形状を有しているので、さらにプラズマを均一に発生させることができる。また、第１誘電体、スロット板、第２誘電体により均一性が高められるため、マイクロ波の均一性を保持し易い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜プラズマ処理装置＞
プラズマ処理装置は、マイクロ波発生器、処理室及び処理室上部のマイクロ波伝搬領域を有しており、以下のように処理が行われる。
マイクロ波発生器より発生したマイクロ波がマイクロ波伝搬領域を伝搬し、ガス雰囲気の処理室内に電界が形成される。この電界とガスとによりプラズマが発生し、プラズマにより生成された化学種により成膜、エッチング、気相洗浄等の処理が処理室内の試料に施される。
【００１３】
このようなプラズマを利用したプラズマ処理装置には、プラズマにより酸化・窒化を行う装置（以下、プラズマ酸窒化装置という）、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ）装置、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置、プラズマ洗浄装置、プラズマアニール装置等がある。
以下に、本発明のプラズマ発生装置を、プラズマ酸窒化装置を例に挙げて説明する。
＜第１実施形態例＞
図１は第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観、図２は図１のＡ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図、図３（ａ）は図１に示すプラズマ酸窒化装置のガス導入部の内部構造の分解斜視図、図３（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ’断面での断面図である。
［構成］
図１及び図２に示すように、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置は、マイクロ波発生器１、導波管２、同軸アンテナ３及びチャンバ４を有している。チャンバ４には、成膜ガス等のガスを導入するガス導入口５及びガスを排出するガス排出口６が取り付けられている。また、チャンバ４内部には、誘電体７、処理室８及びガス導入部１０が設けられている。誘電体７の材質としては、石英、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン等の誘電損失の少ない物質が好ましい。
誘電体は、真空、空気、ガス等比誘電率が“１”である場合を含む。また、誘電体の表面の少なくとも一部が導体で覆われている場合を含む。
【００１４】
処理室８には、試料１２を載置するための試料台１１が誘電体７と対向する位置に設けられている。処理室８の側面には、ガス導入口５から成膜ガス等のガスを処理室８に供給するガス導入部１０が設けられている。ガス導入部１０は、処理室８に開口を有するガス導入ノズル１０ａ、及びガス導入口５と複数のガス導入ノズル１０ａとを連結するガス導入路１０ｂを有している。なお、導波管２のかわりに、スロットアンテナ、矩形導波管、同軸アンテナ等その他のアンテナを設けても良い。
【００１５】
以下に、ガス導入部１０へのマイクロ波の進入を防止するためのマイクロ波遮断構造及び処理室８に概ね均一にガスを導入するためのガス導入構造について詳細に説明する（以下、“均一”とは“概ね均一”をいうものとする。）。まず、マイクロ波遮断構造について説明する。
［マイクロ波遮断構造］
ガスは、図３に示す矢印のように、ガス導入路１０ｂからガス導入ノズル１０ａを通って処理室８へ供給される。このガス導入部１０は、次の条件を満たすように構成されている。ガス導入ノズル１０ａは、処理室８からガス導入ノズル１０ａに導入されるマイクロ波の透過率Ｔが下記式（１）の関係を実質的に満たすように形成されている。
【００１６】
【数５】

ここで、Ｌ_１：ガス導入ノズル１０ａのガス進行方向の長さ、
Ａ_１：ガス導入ノズル１０ａのガス進行方向と垂直な方向の長径、
λ：処理室８内のマイクロ波の波長である。
このように、ガス導入ノズル１０ａを設計することで、マイクロ波がガス導入部１０へ進入するのを防止することができる。よって、ガス導入部１０内において異常放電や膜の異常成長等が生じる問題を低減し、また均一なガス供給をすることができる。マイクロ波の損失を考慮して透過率Ｔが１％以下となるようにガス導入ノズル１０ａを設計すると好ましい。透過率が１％以下であると、マイクロ波の遮断効率が良く、異常放電や膜の異常成長等の問題をさらに防止できる。
［ガス導入構造］
次にガス導入構造について説明する。ガス導入路１０ｂとガス導入ノズル１０ａとのガスの流れ易さ、所謂コンダクタンスの比を、Ｘ以上に設定すると良い。
ここで、Ｘは、ガス導入路１０ｂに共通に接続されたガス導入ノズル１０ａの個数である。つまり、ガス導入路１０ｂのコンダクタンスＣ_２とガス導入ノズル１０ａのコンダクタンスＣ_１との比は、以下の下記式（２）の関係を満たす。
【００１７】
【数６】

ここで、ガス導入ノズル１０ａのコンダクタンスＣ_１及びガス導入路１０ｂのコンダクタンスＣ_２は、それぞれ以下の下記式（３）及び下記式（４）で表される。
【００１８】
【数７】

【００１９】
【数８】

ここで、Ａ_１：ガス進行方向と垂直な方向のガス導入ノズル１０ａの長径、
Ｂ_１：ガス進行方向と垂直な方向のガス導入ノズル１０ａの短径、
Ｌ_１：ガス進行方向のガス導入ノズル１０ａの長さ、
Ｐ_１：ガス導入ノズル１０ａ内の平均圧力、
Ｋ_１：ガス導入ノズル１０ａの形状因子、
Ａ_２：ガス進行方向と垂直な方向のガス導入路１０ｂの長径、
Ｂ_２：ガス進行方向と垂直な方向のガス導入路１０ｂの短径、
Ｌ_２：ガス進行方向のガス導入路１０ｂの長さ、
Ｐ_２：ガス導入路１０ｂ内の平均圧力、
Ｋ_２：ガス導入路１０ｂの形状因子である。
【００２０】
このように、ガス導入路１０ｂとガス導入ノズル１０ａとのコンダクタンスの比を、ガス導入路１０ｂに共通に接続されたガス導入ノズル１０ａの個数Ｘ以上にすることで、ガス導入ノズル１０ａから処理室８に均一にガスを供給することができる。よって、均一なガス供給により均一なプラズマを形成することができるので、均一な薄膜を形成することができる。なお、Ｋ_１、Ｋ_２は、ガス導入路１０ｂの形状により“０”から“１”の値をとる。
ガス導入ノズル１０ａとガス導入路１０ｂとのコンダクタンスの比を大きくすればすればするほど、均一にガスを供給することができるが、ガス導入部１０の動作圧力、ガス流量、物理的耐性等を考慮して設定するのが好ましい。
【００２１】
式（３）、式（４）の関係式は、上記の式に限定されるものではなく、流路の形状の違い等により適宜、適当な関係式を用いることができる。
［処理］
このプラズマ酸窒化装置では、例えば以下のように成膜の処理が行われる。
まず、ガス排出口６より排気を行って、処理室８内を所定の真空度にし、ガス導入口５、ガス導入路１０ｂ及びガス導入ノズル１０ａを介して処理室８内にガスを導入する。次に、マイクロ波発生器１より発生したマイクロ波を、導波管２を介して誘電体７に導入する。誘電体７は、導入されたマイクロ波を均一化し、処理室８内に導入する。導入されたマイクロ波により発生したプラズマは、ガス分子を励起・活性化させ化学種を生成し、試料１２の表面に薄膜を形成する。
＜第１実施例＞
以下の図４〜図６を参照し、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例を挙げてより具体的に説明する。図４は第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観、図５は図４のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図４の装置の断面図、図６は図４に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図である。
［全体構成］
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、矩形導波管２０、Ｈ面スロットアンテナ３０及び試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のチャンバ（以下、矩形チャンバ）２５を有している。前記第１実施形態例と同様に、マイクロ波発生器１、ガス導入口５、ガス排出口６及びガス導入部１０が矩形チャンバ２５に設けられている。また、矩形チャンバ２５には、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状の処理室（以下、矩形処理室）２５ｂ及び矩形処理室２５ｂを覆う、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）２５ａが設けられている。
【００２２】
矩形チャンバ蓋２５ａは、図６に示すように、上から順にそれぞれ、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のアンテナ誘電体（以下、矩形アンテナ誘電体）３４、スロット３６ａが設けられた、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のスロット板（以下、矩形スロット板）３６及び試料１２の処理面に沿う断面が矩形状の封止誘電体（以下、矩形封止誘電体）３８を有している。スロット板の材質としては、Ｃｕ、Ａｌ等の金属板が用いられる。矩形アンテナ誘電体３４上には、Ｈ面スロットアンテナ３０が載置されており、このＨ面スロットアンテナ３０により矩形導波管２０から矩形アンテナ誘電体３４にマイクロ波が導入される。Ｈ面スロットアンテナ３０は、上部３０ａ、側部３０ｂ及び底部３０ｃを有している。底部３０ｃつまりＨ面スロットアンテナ３０のＨ面には、図示しないスロットが形成されている。Ｈ面スロットアンテナ３０上部には矩形導波管２０が搭載されている。
【００２３】
ここで、矩形アンテナ誘電体３４は、その内部におけるマイクロ波の電界強度分布を、試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一化するための誘電体である（以下、電界強度分布が概ね均一なマイクロ波を、均一なマイクロ波と称する。また、以下の“均一”とは“試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一”をいうものとする）。
矩形アンテナ誘電体３４下部の矩形スロット板３６は、矩形アンテナ誘電体３４から導入されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を、スロット３６ａにより保持したままあるいはさらに高める。矩形スロット板３６は、必ずしも試料１２の処理面に沿う断面が矩形状である必要はなく、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂを覆う形状であれば良く、例えば、円形状であっても良い。
【００２４】
矩形封止誘電体３８は、矩形スロット板３６より導入されたマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持したままあるいはさらに高め、矩形封止誘電体３８下方の矩形処理室２５ｂにプラズマを発生させるための電界を形成する。また、矩形封止誘電体３８は、真空状態の矩形処理室２５ｂを大気から隔離し、清浄空間に保つ。
［ガス導入部の構成］
次に、ガス導入部１０の構成を具体的に説明する。ガス導入部１０は、矩形処理室２５ｂに成膜ガス等のガスを供給するためにガス導入口５と接続され、ガス導入路１０ｂとガス導入路１０ｂに共通に設けられた８０個のガス導入ノズル１０ａとを有している。ガス導入部１０の分解斜視図は、図３と同様であり、ガス導入ノズル１０ａの形状は、Ａ_１＝５ｍｍ，Ｂ_１＝１ｍｍ，Ｌ_１＝１０ｍｍ、ガス導入路１０ｂの形状は、Ａ_２＝２０ｍｍ，Ｂ_２＝２０ｍｍ，Ｌ_２＝５００ｍｍに設定されている。このように設定すると、ガス導入ノズル１０ａにおけるマイクロ波の透過率Ｔは、前記式（１）より０．１９％となる。また、１〜１０００Ｔｏｒｒまでの圧力域において、コンダクタンス比（Ｃ_２／Ｃ_１）は１１０以上となる。そのため、実施例１に係るプラズマ発生装置は、透過率Ｔが１％より十分に小さく、ガス導入部１０へマイクロ波の進入をほぼ遮断して異常放電や膜の異常成長を低減している。また、コンダクタンス比が、ガス導入ノズル１０ａの個数８０個よりも十分に大きいので、処理室８に均一にガスを供給することができる。よって、均一な薄膜を形成することができる。
【００２５】
さらに、本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、試料１２の処理面に沿う面方向にマイクロ波を伝搬させる領域、すなわち矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８が矩形状を有しているので、マイクロ波の電界強度分布が試料の処理面に沿って全体として均一となる。その均一なマイクロ波により均一にプラズマが発生し、このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって均一な薄膜形成が可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化が生じても、マイクロ波が伝播する領域が矩形状であるためマイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
【００２６】
また、矩形アンテナ誘電体３４により電界強度分布が均一化されたマイクロ波が、矩形スロット板３６を介して均一に矩形封止誘電体３８に導入され、矩形封止誘電体３８によりさらに均一性が高められるので、マイクロ波の均一性を保持し易い。
［その他の実施形態例］
（Ａ）本発明は、シリコンプロセス以外の化合物、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）プロセス等に適用可能である。
（Ｂ）前記実施例は、必要に応じて組み合わせて用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明を用いれば、均一にガスを導入することができるプラズマ発生装置を提供することができる。
また、本発明を用いれば、異常放電や膜の異常成長の発生を防止することができる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】第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図２】図１のＡ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図。
【図３】（ａ）図１に示すプラズマ酸窒化装置のガス導入部の内部構造の分解斜視図。
（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ’断面での断面図。
【図４】第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図５】図４のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図４の装置の断面図。
【図６】図４に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【符号の説明】
１ マイクロ波発生器
２ 導波管
３ 同軸アンテナ
４ チャンバ
５ ガス導入口
６ ガス排出口
７ 誘電体
８ 処理室
１０ ガス導入部
１０ａ ガス導入ノズル
１０ｂ ガス導入路
１２ 試料
２０ 矩形導波管
２５ 矩形チャンバ
３０ Ｈ面スロットアンテナ
３４ 矩形アンテナ誘電体
３６ 矩形スロット板
３８ 矩形封止誘電体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma generator using plasma generated by microwaves.
[0002]
[Prior art]
A plasma generator using a microwave (for example, 2.45 GHz) is used for forming an integrated circuit (IC). In the plasma generator using microwaves, high-density and low-electron-temperature plasma can be obtained by microwaves having a high frequency. Therefore, it is possible to suppress the influence of electrical or physical damage to a thin film such as a gate oxide film.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in response to recent demands for finer ICs and larger wafer diameters, conventional gas supply systems provide uniform processing of samples when performing processes such as film formation, etching, ashing, sputtering, and cleaning. The problem that processing is difficult is occurring. For example, when performing processing such as film formation, a processing gas is introduced into a processing chamber from a gas introduction unit. At this time, microwaves enter the gas introduction unit from the processing chamber, causing a problem that abnormal discharge or abnormal film growth occurs in the gas introduction unit.
Further, since an opening is provided in the processing chamber to form a gas introduction portion, the supply of non-uniform gas causes non-uniform microwaves in the processing chamber and non-uniform plasma. Therefore, it is difficult to uniformly process the sample by the non-uniform plasma.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a plasma generator capable of uniformly introducing a gas.
Another object of the present invention is to provide a plasma generator capable of preventing occurrence of abnormal discharge and abnormal growth of a film.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a first invention of the present application is directed to a microwave generator, a reactor connected to the microwave generator, and generating plasma by microwaves generated from the microwave generator, Provided is a plasma generator having an introduction path for supplying a gas to a reactor, and at least one nozzle connecting the reactor and the introduction path. In this plasma generator, the microwave transmission T from the reactor to the nozzle substantially satisfies the following equation (1).
[0006]
[Equation 3]

Here, L ₁ : length in the gas traveling direction of the nozzle A ₁ : major axis λ in a direction perpendicular to the gas traveling direction of the nozzle: wavelength of microwaves in the reactor.
By designing the nozzle so that the microwave transmittance T satisfies the expression (1), it is possible to reduce the entry of the microwave into the introduction portion. Therefore, it is possible to reduce a problem that abnormal discharge or abnormal film growth occurs in the introduction portion, and to supply a substantially uniform gas (hereinafter, “uniform” means “substantially uniform”). .
[0007]
The present second invention is the first invention, the ratio of the conductance C ₂ of the gas of the conductance C ₁ and the introduction path of the gas within the nozzle, to provide a plasma generating apparatus which satisfies the following formula (2) .
[0008]
(Equation 4)

Here, X is the number of the nozzles connected to the introduction path.
By setting the ratio of the conductance of the gas between the introduction path and the nozzle to be equal to or more than the number of nozzles connected to the introduction path, gas can be supplied to the reactor from the introduction path to the reactor substantially uniformly through the nozzles.
The third invention of the present application provides the plasma generator according to the second invention, wherein the transmittance T is 1% or less.
[0009]
By employing a microwave blocking structure in which the transmittance T of microwaves introduced from the reactor via a nozzle is 1% or less, abnormal discharge and abnormal growth of a film can be further reduced.
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the electric field intensity distribution of the microwave generated from the microwave generating means, which is connected to the microwave generating means and has a rectangular cross section along a processing surface of the sample, is provided. A plasma generator comprising a first dielectric, which is made substantially uniform along a processing surface of a sample to be subjected to plasma processing in the reactor, and processing means for processing the sample using the plasma.
[0010]
Since the first dielectric has a rectangular shape, the electric field intensity distribution of the microwave becomes uniform as a whole along the processing surface of the sample. Therefore, uniform plasma is generated by the uniform microwave, and a uniform thin film can be formed by gas molecules excited and activated by the plasma. Further, even if the process conditions such as the flow rate and the composition ratio of the gas are changed or the process conditions are changed due to maintenance or the like, the microwave electric field intensity distribution is not easily biased because the region where the microwave propagates is rectangular. Therefore, the process margin can be expanded.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, at least one slot is formed below the first dielectric, and the uniformity of the microwave electric field intensity distribution in the first dielectric is maintained. Alternatively, a slot plate is provided between the slot plate and the reactor, and the uniformity of the electric field intensity distribution of the microwave supplied from the slot plate is maintained or further increased. A plasma generator having a second dielectric having a rectangular cross section is provided.
Since the second dielectric has a rectangular shape, plasma can be generated more uniformly. In addition, since uniformity is enhanced by the first dielectric, the slot plate, and the second dielectric, uniformity of microwaves can be easily maintained.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<Plasma processing equipment>
The plasma processing apparatus has a microwave generator, a processing chamber, and a microwave propagation region above the processing chamber, and performs processing as described below.
Microwaves generated by the microwave generator propagate in the microwave propagation region, and an electric field is formed in the processing chamber in a gas atmosphere. Plasma is generated by the electric field and the gas, and processing such as film formation, etching, and gas-phase cleaning is performed on a sample in the processing chamber by the chemical species generated by the plasma.
[0013]
Examples of such a plasma processing apparatus using plasma include an apparatus that performs oxidation and nitridation using plasma (hereinafter, referred to as a plasma oxynitridation apparatus), a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus, a plasma etching apparatus, a plasma ashing apparatus, and a plasma cleaning apparatus. Equipment, plasma annealing equipment and the like.
Hereinafter, the plasma generating apparatus of the present invention will be described using a plasma oxynitriding apparatus as an example.
<First Embodiment>
1 is an external view of a plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of the apparatus of FIG. 1 in a direction perpendicular to a processing surface of a sample including AA ′ in FIG. 1, and FIG. 3) is an exploded perspective view of the internal structure of the gas introduction part of the plasma oxynitriding apparatus shown in FIG. 1, and FIG.
[Constitution]
As shown in FIGS. 1 and 2, the plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment has a microwave generator 1, a waveguide 2, a coaxial antenna 3, and a chamber 4. The chamber 4 is provided with a gas inlet 5 for introducing a gas such as a film forming gas and a gas outlet 6 for discharging the gas. Further, a dielectric 7, a processing chamber 8, and a gas introduction unit 10 are provided inside the chamber 4. As the material of the dielectric 7, a substance having a small dielectric loss, such as quartz, fluororesin, polyethylene, and polystyrene, is preferable.
The dielectric includes a case where the relative dielectric constants of vacuum, air, and gas are “1”. Also, a case where at least a part of the surface of the dielectric is covered with a conductor is included.
[0014]
In the processing chamber 8, a sample stage 11 for mounting the sample 12 is provided at a position facing the dielectric 7. On a side surface of the processing chamber 8, a gas introduction unit 10 that supplies a gas such as a film forming gas from the gas introduction port 5 to the processing chamber 8 is provided. The gas introduction unit 10 includes a gas introduction nozzle 10a having an opening in the processing chamber 8, and a gas introduction path 10b connecting the gas introduction port 5 and the plurality of gas introduction nozzles 10a. Note that, instead of the waveguide 2, other antennas such as a slot antenna, a rectangular waveguide, and a coaxial antenna may be provided.
[0015]
Hereinafter, a microwave blocking structure for preventing microwaves from entering the gas introduction unit 10 and a gas introduction structure for introducing gas substantially uniformly into the processing chamber 8 will be described in detail (hereinafter, “uniform”). Means "substantially uniform".) First, the microwave blocking structure will be described.
[Microwave blocking structure]
The gas is supplied from the gas introduction path 10b to the processing chamber 8 through the gas introduction nozzle 10a as indicated by the arrow shown in FIG. The gas introduction unit 10 is configured to satisfy the following conditions. The gas introduction nozzle 10a is formed such that the transmittance T of the microwave introduced from the processing chamber 8 to the gas introduction nozzle 10a substantially satisfies the relationship of the following expression (1).
[0016]
(Equation 5)

Here, L ₁ : the length of the gas introduction nozzle 10a in the gas traveling direction,
A ₁ : the major axis in the direction perpendicular to the gas traveling direction of the gas introduction nozzle 10a,
λ: wavelength of the microwave in the processing chamber 8.
By designing the gas introduction nozzle 10a in this way, it is possible to prevent microwaves from entering the gas introduction unit 10. Therefore, it is possible to reduce the problem that abnormal discharge or abnormal film growth occurs in the gas introduction unit 10 and to supply a uniform gas. It is preferable to design the gas introduction nozzle 10a so that the transmittance T is 1% or less in consideration of the loss of the microwave. When the transmittance is 1% or less, the efficiency of blocking microwaves is good, and problems such as abnormal discharge and abnormal film growth can be further prevented.
[Gas introduction structure]
Next, the gas introduction structure will be described. It is preferable that the ease of gas flow between the gas introduction path 10b and the gas introduction nozzle 10a, that is, the so-called conductance ratio be set to X or more.
Here, X is the number of gas introduction nozzles 10a commonly connected to the gas introduction path 10b. That is, the ratio of the conductance _{C 1} conductance _{C 2} and the gas injection nozzle 10a of the gas introduction path 10b satisfy the relationship of the following formula (2).
[0017]
(Equation 6)

Here, the conductance _{C 2} of the conductance _{C 1} and the gas introducing passage 10b of the gas introducing nozzle 10a is expressed by the respective following formula (3) and the following formula (4).
[0018]
(Equation 7)

[0019]
(Equation 8)

Here, A ₁ : the major axis of the gas introduction nozzle 10a in a direction perpendicular to the gas traveling direction,
B ₁ : short diameter of the gas introduction nozzle 10a in a direction perpendicular to the gas traveling direction,
L ₁ : length of the gas introduction nozzle 10a in the gas traveling direction,
P ₁ : average pressure in the gas introduction nozzle 10a,
K ₁ : form factor of gas introduction nozzle 10a,
A ₂ : the major axis of the gas introduction passage 10b in the direction perpendicular to the gas traveling direction,
B ₂ : short diameter of the gas introduction path 10b in a direction perpendicular to the gas traveling direction,
L ₂ : length of the gas introduction path 10b in the gas traveling direction;
P ₂ : average pressure in the gas introduction path 10b,
K ₂ : a form factor of the gas introduction path 10b.
[0020]
As described above, by setting the ratio of the conductance between the gas introduction path 10b and the gas introduction nozzle 10a to be equal to or more than the number X of the gas introduction nozzles 10a commonly connected to the gas introduction path 10b, the processing chamber can be separated from the gas introduction nozzle 10a. 8 can be uniformly supplied with gas. Therefore, uniform plasma can be formed by uniform gas supply, so that a uniform thin film can be formed. Note that K ₁ and K ₂ take values from “0” to “1” depending on the shape of the gas introduction path 10b.
The larger the ratio of the conductance between the gas introduction nozzle 10a and the gas introduction path 10b, the more uniformly the gas can be supplied. However, the operating pressure of the gas introduction unit 10, the gas flow rate, the physical resistance, etc. It is preferable to set in consideration of the above.
[0021]
The relational expressions of Expressions (3) and (4) are not limited to the above expressions, and an appropriate relational expression can be used as appropriate depending on a difference in the shape of the flow path and the like.
[processing]
In this plasma oxynitriding apparatus, for example, a film forming process is performed as follows.
First, the interior of the processing chamber 8 is evacuated to a predetermined degree of vacuum by exhausting gas from the gas outlet 6, and gas is introduced into the processing chamber 8 through the gas inlet 5, the gas introduction path 10 b and the gas introduction nozzle 10 a. Next, the microwave generated by the microwave generator 1 is introduced into the dielectric 7 through the waveguide 2. The dielectric 7 homogenizes the introduced microwave and introduces it into the processing chamber 8. The plasma generated by the introduced microwaves excites and activates gas molecules to generate chemical species, and forms a thin film on the surface of the sample 12.
<First embodiment>
The plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment will be described more specifically with reference to FIGS. FIG. 4 is an external view of the plasma oxynitriding apparatus of the first embodiment, FIG. 5 is a cross-sectional view of the apparatus of FIG. 4 including BB ′ of FIG. 4 and is perpendicular to the X axis in FIG. 4, and FIG. FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of the oxynitriding device.
[overall structure]
The plasma oxynitriding apparatus according to the present embodiment includes a rectangular waveguide 20, an H-plane slot antenna 30, and a chamber 25 (hereinafter, rectangular chamber) having a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12. As in the first embodiment, the microwave generator 1, the gas inlet 5, the gas outlet 6, and the gas inlet 10 are provided in the rectangular chamber 25. The rectangular chamber 25 has a rectangular processing chamber (hereinafter, rectangular processing chamber) 25b having a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12 and a rectangular processing chamber 25b, and has a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12. A chamber lid (hereinafter, rectangular chamber lid) 25a is provided.
[0022]
As shown in FIG. 6, the rectangular chamber lid 25a is provided with an antenna dielectric (hereinafter, rectangular antenna dielectric) having a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12 and a slot a in order from the top. A rectangular slot plate (hereinafter, rectangular slot plate) 36 having a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12 and a sealing dielectric (hereinafter, rectangular sealing dielectric) 38 having a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12 are formed. Have. As a material of the slot plate, a metal plate of Cu, Al, or the like is used. An H-plane slot antenna 30 is mounted on the rectangular antenna dielectric 34, and microwaves are introduced from the rectangular waveguide 20 into the rectangular antenna dielectric 34 by the H-plane slot antenna 30. The H-plane slot antenna 30 has an upper portion 30a, a side portion 30b, and a bottom portion 30c. A slot (not shown) is formed on the bottom portion 30c, that is, on the H-plane of the H-plane slot antenna 30. The rectangular waveguide 20 is mounted above the H-plane slot antenna 30.
[0023]
Here, the rectangular antenna dielectric 34 is a dielectric for making the electric field intensity distribution of the microwave therein substantially uniform in the direction along the processing surface of the sample 12 (hereinafter, the electric field intensity distribution is substantially uniform). The microwave is referred to as a uniform microwave, and the term “uniform” hereinafter refers to “substantially uniform in a direction along the processing surface of the sample 12”.
The rectangular slot plate 36 below the rectangular antenna dielectric 34 enhances or further enhances the uniformity of the electric field intensity distribution of the microwave introduced from the rectangular antenna dielectric 34 while keeping the slot 36a. The rectangular slot plate 36 does not necessarily need to have a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12, and may have a shape that covers the rectangular antenna dielectric 34, the rectangular sealing dielectric 38, and the rectangular processing chamber 25b. , And may be circular.
[0024]
The rectangular sealing dielectric 38 generates plasma in the rectangular processing chamber 25b below the rectangular sealing dielectric 38 while maintaining or further improving the uniformity of the electric field intensity distribution of the microwave introduced from the rectangular slot plate 36. An electric field for In addition, the rectangular sealing dielectric 38 isolates the vacuum processing chamber 25b from the atmosphere and keeps it in a clean space.
[Configuration of gas introduction unit]
Next, the configuration of the gas introduction unit 10 will be specifically described. The gas introduction unit 10 is connected to the gas introduction port 5 to supply a gas such as a film formation gas to the rectangular processing chamber 25b, and includes 80 gas introduction passages commonly provided in the gas introduction passage 10b and the gas introduction passage 10b. And a nozzle 10a. The exploded perspective view of the gas introduction unit 10 is the same as that of FIG. 3, and the shape of the gas introduction nozzle 10a is A ₁ = 5 mm, B ₁ = 1 mm, L ₁ = 10 mm, and the shape of the gas introduction path 10b is A ₂ = 20 mm, B ₂ = 20 mm, and L ₂ = 500 mm. With this setting, the microwave transmittance T of the gas introduction nozzle 10a is 0.19% according to the above equation (1). In a pressure range from 1 to 1000 Torr, the conductance ratio (C ₂ / C ₁ ) is 110 or more. Therefore, in the plasma generator according to the first embodiment, the transmittance T is sufficiently smaller than 1%, and the entry of the microwaves into the gas introduction unit 10 is substantially blocked to reduce abnormal discharge and abnormal growth of the film. Further, since the conductance ratio is sufficiently larger than the number of the gas introduction nozzles 10a of 80, the gas can be uniformly supplied to the processing chamber 8. Therefore, a uniform thin film can be formed.
[0025]
Furthermore, in the plasma oxynitriding apparatus according to the present embodiment, the region where microwaves are propagated in the surface direction along the processing surface of the sample 12, that is, the rectangular antenna dielectric 34 and the rectangular sealing dielectric 38 have a rectangular shape. Therefore, the microwave electric field intensity distribution becomes uniform as a whole along the processing surface of the sample. Plasma is generated uniformly by the uniform microwave, and a uniform thin film can be formed by gas molecules excited and activated by the plasma. In addition, even if the process conditions such as the flow rate and the composition ratio of the gas are changed or the process conditions are changed due to maintenance or the like, the microwave electric field intensity distribution is not easily biased because the region where the microwave propagates is rectangular. Therefore, the process margin can be expanded.
[0026]
The microwave whose electric field intensity distribution is made uniform by the rectangular antenna dielectric 34 is uniformly introduced into the rectangular sealing dielectric 38 via the rectangular slot plate 36, and the uniformity is further improved by the rectangular sealing dielectric 38. Since it is increased, it is easy to maintain the uniformity of the microwave.
[Other Embodiment Examples]
(A) The present invention is applicable to compounds other than the silicon process, FPD (Flat Panel Display) processes, and the like.
(B) The above embodiments can be used in combination as needed.
[0027]
【The invention's effect】
According to the present invention, a plasma generator capable of uniformly introducing a gas can be provided.
Further, according to the present invention, it is possible to provide a plasma generator capable of preventing occurrence of abnormal discharge and abnormal growth of a film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a plasma oxynitriding apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the apparatus of FIG. 1 in a direction perpendicular to a processing surface of a sample including AA ′ of FIG. 1;
FIG. 3A is an exploded perspective view of an internal structure of a gas introduction unit of the plasma oxynitriding apparatus shown in FIG.
(B) Sectional drawing in the XX 'cross section of (a).
FIG. 4 is an external view of a plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the device of FIG. 4 perpendicular to the X-axis in the drawing including BB ′ of FIG. 4;
6 is an exploded perspective view of a main part of the plasma oxynitriding apparatus shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Microwave generator 2 Waveguide 3 Coaxial antenna 4 Chamber 5 Gas inlet 6 Gas outlet 7 Dielectric 8 Processing chamber 10 Gas introduction part 10a Gas introduction nozzle 10b Gas introduction path 12 Sample 20 Rectangular waveguide 25 Rectangular chamber 30 H-plane slot antenna 34 Rectangular antenna dielectric 36 Rectangular slot plate 38 Rectangular sealing dielectric

Claims (5)

Microwave generating means;
A reactor connected to the microwave generation means, wherein a plasma is generated by microwaves generated from the microwave generation means,
An introduction path for supplying gas to the reactor,
Having at least one nozzle connecting the reactor and the introduction path,
A plasma generation apparatus in which the microwave transmittance T from the reactor to the nozzle substantially satisfies the following expression (1)

Here, L ₁ : length in the gas traveling direction of the nozzle A ₁ : major axis λ in a direction perpendicular to the gas traveling direction of the nozzle: wavelength of microwave in the reactor. The ratio of the conductance C ₂ of the gas of the conductance C ₁ and the introduction path of the gas in the nozzle, the plasma generating apparatus according to claim 1 which satisfies the following formula (2)

Here, X: the number of the nozzles connected to the introduction path. The plasma generator according to claim 2, wherein the transmittance T is 1% or less. Connected to the microwave generation means, the cross section along the processing surface of the sample is rectangular, the distribution of the electric field intensity of the microwave generated from the microwave generation means, the sample subjected to plasma processing in the reactor A first dielectric that is substantially uniform along the processing surface;
The plasma generator according to claim 1, further comprising: a processing unit configured to process the sample using the plasma. A slot plate provided below the first dielectric and having at least one slot formed therein, for maintaining or further improving the uniformity of the electric field intensity distribution of microwaves in the first dielectric;
A second section, which is provided between the slot plate and the reactor and has a rectangular cross section along the processing surface of the sample, which maintains or further enhances the uniformity of the electric field intensity distribution of the microwave supplied from the slot plate. The plasma generator according to claim 4, further comprising: a dielectric.

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