JP2005116362A - マイクロ波励起のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマ耐性の低い誘電体部品がプラズマ生成用に使用される場合でも、その誘電体部品における偏りのない均一なプラズマ生成を可能とし、これにより誘電体部品の損傷を防いでその寿命向上が図れる信頼性にすぐれたマイクロ波励起のプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 マイクロ波発生器１１から発せられるマイクロ波を方形導波管１２に供給し、その方形導波管１２内のマイクロ波を同軸導波管１３を介してプラズマ生成用の誘電体製の坩堝１４に導くとともに、方形導波管１２、同軸導波管１３の軸芯１３ａ、および坩堝１４の底部を通して坩堝１４内にプラズマ生成用のガスを導き、坩堝１４の開口に連通されたプラズマ処理用の真空容器１６に対し坩堝１４内で生成されたプラズマまたはそのプラズマ中の活性種を供給する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体素子および液晶表示素子等の製造におけるエッチングやアッシング、および製造装置のクリーニングに用いられるマイクロ波励起のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する
に関する。

マイクロ波によるプラズマ処理は、プラズマの励起効率が高く処理速度が速いので、半導体素子や液晶表示素子等を製造する際のエッチング／アッシング処理や、その処理装置のクリーニング等に多く用いられている。これらの処理に用いられるマイクロ波励起のプラズマ処理装置として、図２に示すものがある。

１はマイクロ波発生器で、このマイクロ波発生器１から方形導波管２にマイクロ波が供給される。方形導波管２の先端部は金属製の板で閉塞されている。この方形導波管２の中途部に円筒アプリケータ３が貫通され、その円筒アプリケータ３内に誘電体製の円筒４が挿入されている。

円筒４の一端は閉塞され、その閉塞部にガス導入管５が接続されている。このガス導入管５から円筒４内にプラズマ生成用のガスたとえばＣＦ系ガスが導入され、かつマイクロ波発生器１からマイクロ波が発せられることにより、円筒４内にプラズマが生成される。円筒４内に生成されるプラズマの分布領域は、方形導波管２と円筒４とが交差する箇所にほぼ対応する。

円筒４内にプラズマが生成されると、そのプラズマ中の活性種が円筒４から真空容器６に供給される。真空容器６は、排気管７および真空ポンプ８を付属して備え、ポンプ８の運転によって真空容器６の内部を真空引きする。この真空引きされた真空容器６内の処置部９に対して上記活性種が供給される。この供給により、任意のプラズマ処理が実行される。

このようなプラズマ処理装置の他の例として、ガスが供給される単電極にマイクロ波を導き、その単電極から発せられるプラズマジェットをチャンバー内に供給するものがある（例えば特許文献１）。また、処理室にガスを供給するとともにその処理室の一部である誘電体窓にマイクロ波を導いてプラズマを生成するものがある（例えば特許文献２）。
特開昭６４−６２４７１号公報 特開平１０−２９４１９９号公報

上記のように誘電体製の円筒４にガスを導入してプラズマを生成する場合、円筒４の誘電体としてプラズマ耐性に優れたアルミナを用いると、アルミナ材料に含まれるアルミとプラズマ中で生成されるフッ素とが反応し、ＡｌＦが生成される。このＡｌＦはエッチングレートの変動やパーティクル発生の原因となり、処理対象である半導体や液晶表示素子などの歩留まり低下といった問題を引き起こす。

そこで、プラズマ耐性の低い誘電体たとえば石英により円筒４を構成し、エッチングレートの変動やＡｌＦパーティクルの発生を低減することが考えられる。

ただし、円筒４の誘電体としてプラズマ耐性の低い石英を用いると、円筒４の交換頻度が高くなり、プラズマ処理の効率低下を招いて処理対象である半導体や液晶表示素子の生産性が低下するという問題が発生する。具体的には、方形導波管２から円筒４へのマイクロ波導入箇所、あるいは円筒アプリケータ３内を伝播するマイクロ波に偏りが生じる箇所では、円筒４内に密度の高いプラズマが生成され、それが原因で誘電体部品（石英）に大きな削れなどの損傷が生じ、誘電体部品である円筒４の寿命が著しく短くなるという問題がある。

この発明は、上記の事情を考慮したもので、プラズマ耐性の低い誘電体部品がプラズマ生成用に使用される場合でも、その誘電体部品における偏りのない均一なプラズマ生成を可能とし、これにより誘電体部品の損傷を防いでその寿命向上が図れる信頼性にすぐれたマイクロ波励起のプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

請求項１に係る発明のマイクロ波励起のプラズマ処理装置は、マイクロ波を発するマイクロ波発生器と、このマイクロ波発生器から発せられたマイクロ波が供給される方形導波管と、この方形導波管に接続された同軸導波管と、上記方形導波管内のマイクロ波が上記同軸導波管を介して底部側から導かれるプラズマ生成用の誘電体製の坩堝と、上記方形導波管、上記同軸導波管の軸芯、および上記坩堝の底部を通して設けられ、上記坩堝内にプラズマ生成用のガスを導くガス導入路と、上記坩堝の開口に連通され、その坩堝内で生成されたプラズマまたはそのプラズマ中の活性種が供給されるプラズマ処理用の真空容器と、を備えている。

請求項９に係る発明のマイクロ波励起のプラズマ処理方法は、マイクロ波発生器から発せられるマイクロ波を方形導波管に供給し、その方形導波管内のマイクロ波を同軸導波管を介してプラズマ生成用の誘電体製の坩堝に導くとともに、方形導波管、同軸導波管の軸芯、および坩堝の底部を通して坩堝内にプラズマ生成用のガスを導き、坩堝の開口に連通されたプラズマ処理用の真空容器に対し坩堝内で生成されたプラズマまたはそのプラズマ中の活性種を供給する。

この発明によれば、誘電体製の坩堝に同軸導波管を通してマイクロ波が効率よく均一に導かれ、かつ坩堝内にプラズマ生成用のガスが直接的に供給される。これにより、たとえプラズマ耐性の低い誘電体部品である坩堝がプラズマ生成用に使用される場合でも、その坩堝における偏りのない均一なプラズマ生成を可能とし、これにより坩堝における損傷を防いでその寿命向上が図れる信頼性にすぐれたマイクロ波励起のプラズマ処理装置を提供できる。

以下、この発明の一実施形態を図１により説明する。
１１はマイクロ波発生器で、このマイクロ波発生器１１から方形導波管１２にマイクロ波が供給される。方形導波管１２の先端部は金属製の板で閉塞されている。この方形導波管１２の中途部に同軸導波管１３が接続され、その同軸導波管１３にプラズマ生成用で誘電体製の坩堝１４の底部が接続されている。すなわち、方形導波管１２内のマイクロ波は、同軸導波管１３を介して坩堝１４にその底部側から導かれる。坩堝１４は、誘電体たとえば石英でコップ状に形成され、プラズマ放電部として機能する。

同軸導波管１３は、金属製の軸芯１３ａ、この軸芯１３ａを囲む誘電体部材（例えば石英）１３ｂ、およびこの誘電体部材１３ｂを囲む金属製のカバー１５により構成されている。誘電体部材１３ｂは、マイクロ波のＴＥＭ波のみ伝送し得る外径寸法Ｄ１を有している。この誘電体部材１３ｂの外径は、坩堝１４の外径と同じである。また、同軸導波管１３の軸芯１３ａは外径寸法Ｄ２を有し、その外径は坩堝１４の内底部の径と同じである。

なお、マイクロ波のＴＥＭ波のみ伝送することが可能であれば、誘電体部材１３ｂの領域を中空としてもよい。

同軸導波管１３のカバー１５は、坩堝１４側に延びて、坩堝１４の外側面の全体まで共通に囲んでいる。このカバー１５において、坩堝１４を囲む位置の内周面に、かつ坩堝１４の周方向に沿って、溝１５ａが形成されている。この溝１５ａは、坩堝１４の本体を伝播していくマイクロ波に対する反射機能を有し、坩堝１４の内部空間１４ａに生成されるプラズマの分布領域をその坩堝１４の軸方向において規制するためのもので、伝播するマイクロ波の波長を考慮した最適位置に形成されている。なお、マイクロ波の定在波が溝１５ａを越えて伝播していく可能性があるため、溝１５ａの下方に、かつ溝１５ａと平行に、定在波を反射するための溝１５ｂ，１５ｃが所定の間隔をもって順次に形成されている。この溝１５ｂ，１５ｃの形成位置としては、実験等で確認された最適位置が選定されている。

坩堝１４の開口にプラズマ処理用の真空容器１６が連通されている。坩堝１４の内部空間１４ａにプラズマが生成されると、そのプラズマ中の活性種が坩堝１４の開口を通して真空容器１６に供給される。真空容器１６は、排気管１７および真空ポンプ１８を付属して備え、ポンプ１８の運転によって真空容器１６の内部を真空引きする。この真空引きされた真空容器１６内の処置部１９に対して上記活性種が供給される。この供給により、任意のプラズマ処理が実行される。

方形導波管１２にガス導入管２１が接続され、そのガス導入管２１から方形導波管１２、同軸導波管１３の軸芯１３ａ、および坩堝１４の底部を通して、坩堝１４の内部空間１４ａにプラズマ生成用のガスを導くガス導入路２２が設けられている。このガス導入路２２を形成するための部材２０が、方形導波管１２内に収容されている。

つぎに、上記の構成の作用を説明する。
マイクロ波発生器１１から発せられたマイクロ波は方形導波管１２に供給され、そのマイクロ波が同軸導波管１３によりＴＥＭモードに変換されて坩堝１４に導かれる。坩堝１４に導かれたマイクロ波は、坩堝１４の本体をその底部から開口に向け伝播する。

ガス導入管２１にはプラズマ生成用のガスたとえばＣＦ系ガスが導入され、導入されたガスがガス導入路２２を通って坩堝１４の内部空間１４ａに供給される。この供給されたガスがマイクロ波で励起されることにより、坩堝１４が放電管となって坩堝１４の内部空間１４ａにプラズマが生成される。

坩堝１４の内部空間１４ａにプラズマが生成されると、そのプラズマ中の活性種が坩堝１４の開口を通って真空容器１６内に供給される。この活性種の供給により、処置部１９上の被処理部材に対するプラズマ処理が実行される。

以上のように、プラズマ生成用として誘電体製の坩堝１４を採用し、かつ同軸導波管１３における誘電体部材１３ｂの外径寸法をＤ１としてマイクロ波のＴＥＭ波のみを坩堝１４に導き、しかも坩堝１４の内底部の径を同軸導波管１３の軸芯１３ａの外径寸法Ｄ２と同じにして上記ＴＥＭ波を坩堝１４に効率よく導き、さらにはプラズマ生成用のガスを坩堝１４の底部を通して坩堝１４内のプラズマ生成領域に直接的に供給する構成であるから、坩堝１４の内部空間１４ａにおいて偏りのない均一なプラズマ生成が可能となる。

偏りのない均一なプラズマ生成が可能となることで、たとえプラズマ耐性の低い石英で坩堝１４が形成されていても、坩堝１４に大きな削れなどの損傷は生じない。よって、坩堝１４の寿命向上が図れる。

同軸導波管１３のカバーおよび坩堝１４を囲むカバーとして、共通の部材である金属製のカバー１５を採用したので、部品点数が少なくなってコストの低減が図れる。その上、同軸導波管１３の誘電体部材１３ｂの外径と坩堝１４の外径とを同じにしたので、同軸導波管１３および坩堝１４を小さく一体化して構成することができ、プラズマ処理装置としての形状を大幅に小形化することができる。

ところで、同軸導波管１３から坩堝１４に導かれるマイクロ波は、生成されるプラズマと金属製のカバー１５との間で反射を繰り返しながら伝播していく。この伝播経路のインピーダンス特性は、坩堝１４を形成している誘電体の誘電率、同誘電体の厚さ、生成されるプラズマの密度、およびカバー１５の表面抵抗（形状・材質）で決定される。

そして、このマイクロ波の伝播経路には、カバー１５の内周面に形成された溝１５ａが存在しており、その溝１５ａによってマイクロ波が反射される。仮に、マイクロ波の定在波が存在しても、その定在波を残りの溝１５ｂ，１５ｃによって反射することができ、マイクロ波のそれより先への伝播を阻止することができる。したがって、坩堝１４内に生成されるプラズマの分布が、坩堝１４の内底部から溝１５ａの位置までの領域、最悪でも溝１５ｂまたは溝１５ｃの位置までの領域に制限される。この制限により、たとえ坩堝１４がプラズマ耐性の低い誘電体である石英で形成されていても、その坩堝１４の開口周縁部や、その開口周縁部と真空容器１６との接触域を密封しているシール部材（図示しない）などに、大きな削れなどの損傷はまったく生じない。この点でも、坩堝１４およびその周辺部の寿命向上が図れる。

なお、上記実施形態において、坩堝１４の素材として石英を採用したが、誘電体であれば他の素材を採用してもよい。カバー１５に３つの溝１５ａ，１５ｂ，１５ｃを形成したが、その溝の個数および位置についてはマイクロ波の伝播に配慮した最適位置に適宜に設定可能である。

その他、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

この発明の一実施形態の構成を示す図。 従来装置の構成を示す図。

符号の説明

１１…マイクロ波発生器、１２…方形導波管、１３…同軸導波管、１３ａ…軸芯、１３ｂ…誘電体部材、１４…坩堝、１５…金属製のカバー、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…溝、１６…真空容器、２１…ガス導入管、２２…ガス導入路

Claims (9)

1. マイクロ波を発するマイクロ波発生器と、
   前記マイクロ波発生器から発せられたマイクロ波が供給される方形導波管と、
   前記方形導波管に接続された同軸導波管と、
   前記方形導波管内のマイクロ波が前記同軸導波管を介して底部側から導かれるプラズマ生成用の誘電体製の坩堝と、
   前記方形導波管、前記同軸導波管の軸芯、および前記坩堝の底部を通して設けられ、前記坩堝内にプラズマ生成用のガスを導くガス導入路と、
   前記坩堝の開口に連通され、その坩堝内で生成されたプラズマまたはそのプラズマ中の活性種が供給されるプラズマ処理用の真空容器と、
   を備えたことを特徴とするマイクロ波励起のプラズマ処理装置。
2. 前記同軸導波管は、金属製の軸芯、この軸芯を囲む誘電体部材、およびこの誘電体部材を囲む金属製のカバーにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波励起のプラズマ処理装置。
3. 前記同軸導波管の誘電体部材は、マイクロ波のＴＥＭ波のみ伝送し得る外径寸法を有することを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波励起のプラズマ処理装置。
4. 前記同軸導波管の誘電体部材および前記坩堝は、外径が互いに同じであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のマイクロ波励起のプラズマ処理装置。
5. 前記同軸導波管の誘電体部材および前記坩堝は、外径が互いに同じである、
   前記同軸導波管の軸芯の外径と前記坩堝の内底部の径とが互いに同じである、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のマイクロ波励起のプラズマ処理装置。
6. 前記坩堝を囲む金属製のカバーをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロ波励起のプラズマ処理装置。
7. 前記同軸導波管のカバーおよび前記坩堝を囲むカバーは、共通の部材であることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波励起のプラズマ処理装置。
8. 前記坩堝を囲むカバーは、前記坩堝内で生成されるプラズマの分布領域をその坩堝の軸方向において規制するための少なくとも１つの溝を、内周面にかつ前記坩堝の周方向に沿って有することを特徴とする請求項６または請求項７に記載のマイクロ波励起のプラズマ処理装置。
9. マイクロ波発生器から発せられるマイクロ波を方形導波管に供給し、その方形導波管内のマイクロ波を同軸導波管を介してプラズマ生成用の誘電体製の坩堝に導くとともに、前記方形導波管、前記同軸導波管の軸芯、および前記坩堝の底部を通して前記坩堝内にプラズマ生成用のガスを導き、前記坩堝の開口に連通されたプラズマ処理用の真空容器に対し前記坩堝内で生成されたプラズマまたはそのプラズマ中の活性種を供給することを特徴とするマイクロ波励起のプラズマ処理方法。

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