JP2005228604A

JP2005228604A - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2005228604A
Application number: JP2004036245A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Kito; 了治木藤
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】
空洞共振器の共振周波数と高周波発振源の周波数を一致させ、高周波電力の利用効率が向上し、高周波発振源の低電力化が図られ、ランニングコストの削減、安全性の向上が図れるプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】
本発明は、空洞共振器７の共振周波数と高周波発振源１の周波数を一致させるため、空洞共振器７の内径を高周波周波数と空洞共振器７の共振周波数が略等しくなる値で形成し、高周波発振源１から出力される高周波周波数を調節することで、空洞共振器７の共振周波数と高周波周波数を一致させる。
【選択図】□□□□図１

Description

本発明は高周波領域の電磁波によるプラズマ発生装置に係り、特に、半導体装置の製造のためのリモートプラズマ装置、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置、エッチング装置、スパッタリング装置等に関する。

高周波を用いたプラズマ処理装置として特許第３１２０４７２号および特開平６−１４０１８６号公報がある。図５は特許第３１２０４７２号に示された従来の装置の断面図である。1は高周波発振源、１８は高周波発振源1からの高周波電力を伝送するための導波管、７は導波管１８から供給される高周波を共振させる空洞共振器、１７はプラズマプロセスを行う処理室、９は処理室１７内に封入されたガスを空洞共振器７に流出させないための誘電体部品、１９は空洞共振器7に生じた電界を処理室１７に送るための結合孔、２０は処理室１７で発生したプラズマによりプラズマ処理される被処理基板である。

また、図６は特開平６-１４０１８６号公報に示された従来装置の断面図である。１は高周波発振源、１８は高周波発振源１から高周波を伝送するための導波管、７は導波管１８から供給される高周波を共振させる空洞共振器、２１は空洞共振器７で発生した電界により内部にプラズマが発生する放電管、１０は放電管２１内にガスを供給するガス供給装置、１１は放電管２１内のガスを排気するガス排気装置、２０は放電管２１内に発生したプラズマによりプラズマ処理される被処理基板、２２は被処理基板２０を設置する試料台、２３は空洞共振器７の共振周波数を調整する環状チューナーである。

次に従来技術の動作を説明する。図5において、高周波発振源１で発生した高周波は導波管１８により伝送され、空洞共振器７に供給される。次いで空洞共振器７の内部寸法によって定まる空洞共振器の共振周波数と高周波周波数が一致することにより、空洞共振器７に高い電界が発生する。空洞共振器７に発生した電界は空洞共振器７に開けられた結合孔１９から誘電体部品９を経て処理室１７に加えられ、処理室１７にプラズマが発生し、被処理基板２０をプラズマ処理する。

また、図６においても同様に、高周波発振源１で発生した高周波は導波管１８により伝送され、空洞共振器７に供給され空洞共振器７に電界が発生する。発生した電界は放電管２１に加えられガス供給装置１０から供給されたガスをプラズマ化させ、被処理基板２０をプラズマ処理している。空洞共振器７に具備された環状チューナー２３は空洞共振器７の共振周波数を高周波周波数と一致させる手段であり、環状チューナー２３の挿入長を変化することにより放電状態の均一化
の効果を奏している。
特許第３１２０４７２号特開平６−１４０１８６号公報

従来のプラズマ発生装置は以上のように構成されているが、空洞共振器７が共振する共振周波数帯域幅は非常に狭く、高周波周波数と共振周波数を一致させるためには高い加工精度が必要で、高コスト化が避けられない。また、空洞共振器７内に設置される被処理基板２０や放電管２１や不図示の電界強度測定端子や不図示の真空計などによって空洞共振器７の共振周波数が変化するため、共振周波数を制御する機構を設けなければならず、空洞共振器７に環状チューナー２３などの調整機構が必要で、調整機構からの電磁波が漏洩するなどの問題点があった。また、空洞共振器７内にガスを封入する場合、空洞共振器７内外の圧力環境差でも調整機構が保持されていなければならず、環状チューナー２３に複雑な機構が必要であるなどの問題点があった。また、空洞共振器７内、もしくは、空洞共振器７に接する領域でプラズマを発生させると、空洞共振器７内の等価誘電率が低下することにより共振周波数が高域にシフトし、プラズマ発生後の空洞共振器７は高周波周波数と共振状態ではなくなるなどの問題点があった。

本発明は、空洞共振器の共振周波数と高周波発振源の周波数を一致させることにより、高周波電力の利用効率が向上し、高周波発振源の低電力化が図られ、ランニングコストの削減、安全性の向上が図れるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のプラズマ発生装置は、高周波発振器から出力された高周波を用いてプラズマを発生させる装置において、前記装置のチャンバー内部に空洞共振器を有し、前記高周波の入力周波数と前記空洞共振器の共振周波数を一致させるために前記高周波発振源の発振周波数を調整する手段を前記高周波発振源に備えたことを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項２記載のプラズマ発生装置は、高周波発振源から出力された高周波を用いてプラズマを発生させる装置において、前記装置のチャンバー内部に入力する前記高周波の入力周波数と略等しい共振周波数を有する空洞共振器を有し、前記入力周波数と前記空洞共振器の共振周波数を一致させるために前記チャンバー内部に前記空洞共振器の共振周波数を調整する手段を有することを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項３記載のプラズマ発生装置は、請求項２記載のプラズマ発生装置において空洞共振器の共振周波数調整手段が前記空洞共振器内部に具備された金属導体の位置を直線導入端子で外部より操作できる機構であることを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項４記載のプラズマ発生装置は、請求項２記載のプラズマ発生装置において空洞共振器の共振周波数調整手段が、前記空洞共振器内部に具備された前記金属導体の位置を外部から印加した磁界によって操作する機構であることを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項５記載のプラズマ発生装置は、請求項1〜４記載のプラズマ発生装置において、チャンバー内部に存在するガスがプラズマ化した際に変化する前記空洞共振器の共振周波数を追従させることを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項６記載のプラズマ発生装置は、請求項１〜５いずれかに記載のプラズマ発生装置において、空洞共振器の共振周波数調整手段が、チャンバー外部に具備されたチャンバーからの反射電力を検波する装置と連動してプラズマ発生時に前記共振周波数を調整することを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項７記載のプラズマ発生装置は、高周波発振源から出力された高周波を用いてプラズマを発生させる装置において、ＥＣＲプラズマを発生させるための磁場発生手段を有し、その磁界によって決まる電子サイクロトロン周波数と前記高周波発振源から出力された高周波の入力周波数を一致させるために、前記高周波発振源の発振周波数を調整する手段を前記高周波発振源に備えたことを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項８記載のプラズマ発生装置は、請求項１〜７いずれかに記載のプラズマ発生装置において、高周波発振源がソリッドステートで構成されたことを特徴とする。

このように本発明によれば、チャンバーの製造コストを安価にすることが可能となり、かつ、高精度な高周波周波数と空洞共振器の共振周波数の一致を実現することにより、プラズマを発生させるために必要な高周波電力を低減することが可能となる。

また、直線導入端子で外部より空洞共振器内部に具備された金属導体の位置を操作できる機構にすることにより、金属導体にはチャンバー内外の圧力差が加わらないため、特に位置を固定する機構を設ける必要がない。

また、外部から印加した磁界によって空洞共振器内部に具備された金属導体の位置を操作する機構を設けることにより、共振周波数の変更器の駆動を電気的に調整できる。

また、チャンバー内部に存在するガスが、プラズマ化した際に変化する空洞共振器の共振周波数を追従させる機能をもたせることにより、プラズマへの電力供給効率を向上させることが可能で、高密度なプラズマ電子密度を実現できる、もしくは、高周波電力を低くすることができる。

また、空洞共振器の共振周波数調整手段が、チャンバー外部に具備されたチャンバーからの反射電力を検波する装置と連動してプラズマ発生時に前記共振周波数を調整することにより、プラズマが発生しているチャンバーに人体が接近する必要性がなくなり、安全性が向上する。

また、高周波発振源から出力された高周波を用いてプラズマを発生させる装置において、ＥＣＲプラズマを発生させるための磁場発生手段を有し、その磁界によって決まる電子サイクロトロン周波数と前記高周波発振源から出力された高周波の入力周波数を一致させるために、高周波発振源の発振周波数を調整する手段を有することにより高周波周波数２．４５ＧＨｚに対して８７５Ｇ必要である永久磁石の磁界を精度よく調整する必要がなく、安価なＥＣＲプラズマを実現することができる。

また、高周波発振源が、ソリッドステートで構成されることにより、電気的に高周波周波数の調整ができ、かつ、高周波のスペクトルが安定し均一で揺らぎのないプラズマを形成することができる。

発明を実施するための最良の形態・実施例

以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。図1に本発明の一実施例を示す。図１において1は高周波発振源、２は高周波発振源１の電力を増幅する増幅器、３は増幅器２とチャンバー４との整合を行うためのチューナー、４はプラズマプロセスを行うチャンバー、５はチャンバー４にガスを供給するガス供給口、６はチャンバー４からガスを排気するガス排気口、８はチャンバー４に高周波を入射するアンテナ、７はチャンバー４内においてアンテナ４から入射する高周波が共振しプラズマが発生する空洞共振器、９はアンテナ８を空洞共振器７で発生するプラズマから保護し空洞共振器７内の圧力雰囲気を保つためにチャンバー４に固定された誘電体部品、１０はチャンバー４にガス供給口５からガスを供給するガス供給装置、１１はチャンバー４からガス排気口６によってガスを排気するガス排気装置である。

空洞共振器７はアンテナ８の長さ方向を軸とする円筒状にチャンバー４から削りだしすることにより形成し、その空洞共振器の内径寸法（半径ａ）は空洞共振器のＴＭ_０１０モードが発生するための共振周波数ｆ_ｒｅｓ＝Ｃ×ｐ’_０１／２πａから求めた値とする（ｃ：光速、ｐ’_０１：ベッセル関数の根ｐ’_０１＝２．４０５）。入力する高周波周波数を２．４５ＧＨｚとすると空洞共振器の内径は２ａ＝９３．６７ｍｍとなるが、空洞共振器７はＱが高く共振が得られる周波数帯域幅が数ＭＨｚと非常に狭いことと、前記共振周波数の式より内径寸法が０．１ｍｍ異なると共振周波数が約２．５ＭＨｚ変わることとを鑑みると、実質、高精度に空洞共振器７の内径を形成し、定められた高周波周波数と空洞共振器７の共振周波数を一致させることは困難である。

上記理由から、図１の形態では空洞共振器７の内径は高周波周波数と空洞共振器７の共振周波数が略等しくなる値で形成し、高周波発振源１から出力される高周波周波数を調節することで、空洞共振器７の共振周波数と高周波周波数を一致させている。このように設計することにより、空洞共振器７の精度を著しく下げることができ、かつ、チャンバー４の外部からの調整機構を排除することができ、チャンバー４の製造コストを安価にすることが可能となり、かつ、高精度な高周波周波数と空洞共振器７の共振周波数との共振を実現することが可能となる。

上記の高周波周波数の調整を可能とするために、高周波発振源１と増幅器２は従来のマグネトロンで構成せず、半導体素子を用いたソリッドステートで構成した。このように構成することで、電気的に高周波周波数の調整ができ、かつ、高周波のスペクトルが安定し均一で揺らぎがないプラズマを形成することができる効果を奏する。

更に、空洞共振器７でプラズマが発生すると空洞共振器７内に封入したガスの誘電率が低下し、空洞共振器７の共振周波数が高くなる現象が生じるが、チューナー３内の不図示検波回路においてチャンバー４からの反射電力をモニターしながら高周波発振源１の高周波周波数を徐々に高くしていき、反射電力が急峻に低くなる高周波周波数に再調整することでプラズマへの電力供給効率を向上させることが可能で、高密度なプラズマ電子密度を実現できる、もしくは、高周波電力を低くすることできるという効果が得られる。

チャンバー４内に設置する誘電体部品９は空洞共振器７で発生するプラズマと導体で構成されたアンテナ８を非接触とし、かつ、大気圧下にあるアンテナ８と大気圧以下の気圧の環境下である空洞共振器７の圧力差に耐えうる構造になっており、チャンバー４の不図示固定部材によって保持されている。誘電体部品９の寸法は空洞共振器７の共振モードであるＴＭ_０１０モードに対応した導波管モードＴＭ_０１モードにすることにより、アンテナ８と空洞共振器７間の電力伝送を最良にすることができる。すなわち誘電体部品９はアンテナ８の長さ方向を軸とする円筒形状となっており、その径は高周波周波数により、ｆ０=Ｃ×ｐ’_０１／２πｂ（ε_ｒ）^１／２の式から求めることができる（ｆ０：高周波周波数、ｐ’_０１：ベッセル関数の根ｐ’_０１＝２．４０５、ｂ：誘電体部品9の半径、ε_ｒ：誘電体部品９の比誘電率）。

アンテナ８は空洞共振器７と誘電体部品９と同軸上に設置し、長さは高周波の波長の略４分の１で形成する。このように設計することにより、空洞共振器７にＴＭ_０１０モードを励振することができる。また、アンテナ８を誘電体部品９に埋設することにより、アンテナ８で発生する熱を誘電体部品９から放熱することができ、かつ、誘電体部品９の空洞共振器７側とアンテナ８側に生じる圧力差に対する耐圧を軽減することができる。

チューナー３は増幅器２とチャンバー４との整合を取るための不図示インピーダンス変換器と不図示位相変換器とを備えており、チューナー３内に設けられた不図示検波回路から得られるチャンバー４からの反射電力と増幅器２からの伝送電力をモニターしながら反射電力が最小となる調整を行っている。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明の第２の実施形態を図２に示す。１２は空洞共振器７内部に設置され空洞共振器７の壁面から空洞共振器７中心の方向に可動する金属製の共振周波数変更器、１３は共振周波数変更器１２をチャンバー４の外部より可動する直線導入端子である。共振周波数変更器１２の空洞共振器７内への挿入深さを変えることで空洞共振器７の共振周波数を変更し、上記高周波周波数を調整する手段と同様の効果を得ることができる。その上、可動する共振周波数変更器１２は空洞共振器７内に設置されており、チャンバー４内外の圧力差に寄らないため、特に位置を固定する機構を設ける必要がない。

更に上記実施形態に直線導入端子１３を制御する不図示の制御部を設けることにより電気的に空洞共振器７の共振周波数を変更することができる。このような設計を行うことにより、プラズマが発生しているチャンバー４に人体が接近する必要がなくなり、安全性が向上する。また、チューナー３に具備された不図示の検波回路で得られるチャンバー４からの高周波反射電力の情報を元に上記不図示の制御部を制御することにより、プラズマ発生前後の空洞共振器７の共振周波数の変化を自動で補正することができる。

更に、上記高周波発振器１の高周波周波数を調整し、高周波周波数と空洞共振器７の共振周波数とを一致させる手段と、上記共振周波数変更器１２による空洞共振器７の共振周波数を変更する手段とを組み合わせることで、プラズマ発生後に空洞共振器７の共振周波数が２．４５ＧＨｚ帯のＩＳＭバンドである２．４５ＧＨｚ±５０ＭＨｚの帯域外まで変化した際に高周波周波数が追従できない欠点を補うことが可能となる。つまり、共振周波数変更器１２を空洞共振器７に挿入した状態で設置し、空洞共振器７の共振周波数と高周波周波数を略２．４５ＧＨｚに合わせプラズマを発生させると、空洞共振器７の共振周波数は２．４５ＧＨｚよりも高くなり、やがて共振周波数が２．５ＧＨｚ以上になると高周波周波数は追従不可能となる。この際、共振周波数変更器の挿入深さを浅くし、空洞共振器７の共振周波数を２．４５ＧＨｚ帯に変更して高周波周波数を一致させる。以上の手段を用いることにより、常に高周波周波数と空洞共振器７の共振周波数を一致させ、高い電界強度を空洞共振器７内に発生させ、高いプラズマ電子密度が実現できる、もしくは低い高周波電力でプラズマを維持することができる。

更に、上記共振周波数変更器１２の駆動方法が異なる形態を図３に示す。１４は磁性体である共振周波数変更器１２を電磁力によって駆動するための電磁コイル、１５は電磁コイルによる作用と逆向きに作用を加え共振周波数変更器１２を保持するために空洞共振器７と共振周波数変更器１２に固定されたスプリングである。このような設計を行うことにより、上記直線導入端子１３を備えた実施形態と同様な効果が得られ、その上、共振周波数変更器１２の駆動を電気的に調整できる。

また、上記の実施形態では共振周波数変更器１２の駆動手段として、直線導入端子１３や電磁コイル１４を示したが、油圧による駆動手段やその他の駆動手段を用いても同様な効果を奏する。

更に本発明の第４の実施形態を図４に示す。１７はプラズマが発生する処理室、１６は処理室１７にＥＣＲプラズマを発生させるための磁界を印加する永久磁石である。永久磁石１６から処理室１７に磁界を印加し、アンテナ８から高周波を入射し、永久磁石１６の磁界により定まる電子サイクロトロン周波数（ｆ_ｃ＝ｅＢ／２πｍ_ｅｆ_ｃ：電子サイクロトロン周波数、ｅ：電子電荷、Ｂ：磁界、ｍ_ｅ：電子質量）と高周波周波数が一致するように高周波発振源１の高周波周波数を調整する。このような設計を行うことにより、高周波周波数２．４５ＧＨｚに対して８７５Ｇ必要である永久磁石１６の磁界を精度良く調整する必要がなく、安価なＥＣＲプラズマ発生装置を実現することができる。

また、上記実施形態の永久磁石１６は電磁石やその他のコイルに電流を流し磁界を発生させる手段でも同様な効果を奏し、このような設計を行うことにより、磁界の精度、すなわち電磁石に流す電流値の精度を低減することができる。

以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、高周波と空洞共振器、もしくは、高周波と磁界とのお互いの共振点を一致されることにより、高い電子密度が実現できる、もしくは、高周波電力を低減することができるプラズマ発生源を提供することができる。

本発明の第１の実施形態である。本発明の第２の実施形態である。本発明の第３の実施形態である。本発明の第４の実施形態である。従来の第１の実施形態である。従来の第２の実施形態である。

符号の説明

１高周波発振源
２増幅器
３チューナー
４チャンバー
５ガス供給口
６ガス排気口
７空洞共振器
８アンテナ
９誘電体部品
１０ガス供給装置
１１ガス排気装置
１２共振周波数変更器
１３直線導入端子
１４電磁コイル
１５スプリング
１６永久磁石
１７処理室
１８導波管
１９結合孔
２０被処理基板
２１放電管
２２試料台
２３環状チューナー

Claims

高周波発振源から出力された高周波を用いてプラズマを発生させる装置において、前記装置のチャンバー内部に空洞共振器を有し、前記高周波の入力周波数と前記空洞共振器の共振周波数を一致させるために前記高周波発振源の発振周波数を調整する手段を前記高周波発振源に備えたことを特徴とするプラズマ発生装置
高周波発振源から出力された高周波を用いてプラズマを発生させる装置において、前記装置のチャンバー内部に入力する前記高周波の入力周波数と略等しい共振周波数を有する空洞共振器を有し、前記入力周波数と前記空洞共振器の共振周波数を一致させるために前記チャンバー内部に前記空洞共振器の共振周波数を調整する手段を有することを特徴としたプラズマ発生装置
前記空洞共振器の共振周波数調整手段が前記空洞共振器内部に具備された金属導体の位置を直線導入端子で外部より操作できる機構であることを特徴とする請求項２記載のプラズマ発生装置
前記空洞共振器の共振周波数調整手段が、前記空洞共振器内部に具備された前記金属導体の位置を外部から印加した磁界によって操作する機構であることを特徴とする請求項２記載のプラズマ発生装置
前記チャンバー内部に存在するガスがプラズマ化した際に変化する前記空洞共振器の共振周波数を追従させることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のプラズマ発生装置
前記空洞共振器の共振周波数調整手段が、前記チャンバー外部に具備された前記チャンバーからの反射電力を検波する装置と連動してプラズマ発生時に前記共振周波数を調整することを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のプラズマ発生装置
高周波発振源から出力された高周波を用いてプラズマを発生させる装置において、ＥＣＲプラズマを発生させるための磁場発生手段を有し、その磁界によって決まる電子サイクロトロン周波数と前記高周波発振源から出力された高周波の入力周波数を一致させるために、前記高周波発振源の発振周波数を調整する手段を前記高周波発振源に備えたことを特徴とするプラズマ発生装置
前記高周波発振源がソリッドステートで構成されたことを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載のプラズマ発生装置