JP2005353364A - Plasma generator, plasma treatment device and plasma treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ発生装置、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関し、特に、マイクロ波の表面波を用いたプラズマ発生装置、これを備えたエッチング装置などのプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。 The present invention relates to a plasma generation apparatus, a plasma processing apparatus, and a plasma processing method, and more particularly to a plasma generation apparatus using a microwave surface wave, a plasma processing apparatus such as an etching apparatus equipped with the plasma, and a plasma processing method.
プラズマを利用したドライプロセスは、半導体製造装置、金属部品の表面硬化、プラスチック部品の表面活性化、無薬剤殺菌など、幅広い技術分野において活用されている。例えば、半導体や液晶ディスプレイなどの製造に際しては、アッシング、ドライエッチング、薄膜堆積あるいは表面改質などの各種のプラズマ処理が用いられている。プラズマを利用したドライプロセスは、低コストで、高速であり、薬剤を用いないために環境汚染を低減できる点でも有利である。 The dry process using plasma is used in a wide range of technical fields such as semiconductor manufacturing equipment, surface hardening of metal parts, surface activation of plastic parts, and non-chemical sterilization. For example, in manufacturing semiconductors and liquid crystal displays, various plasma treatments such as ashing, dry etching, thin film deposition, or surface modification are used. The dry process using plasma is advantageous in that it is low-cost, high-speed, and can reduce environmental pollution because it does not use chemicals.
このようなプラズマ処理を行う装置の代表的なものして、波長数100MHz〜数10GHzのマイクロ波によりプラズマを励起する「マイクロ波励起型」のプラズマ処理装置がある。マイクロ波励起型のプラズマ源は、高周波プラズマ源などに比べてプラズマ電位が低いので、ダメージ無しのレジスト・アッシング(resist ashing)や、バイアス電圧を印加した異方性エッチングなどに広く使われる。 As a typical apparatus for performing such plasma processing, there is a “microwave excitation type” plasma processing apparatus that excites plasma with microwaves having a wavelength of several hundred MHz to several tens GHz. A microwave excitation type plasma source has a lower plasma potential than a high-frequency plasma source, and is therefore widely used for resist ashing without damage or anisotropic etching with a bias voltage applied.
処理すべき半導体ウェーハや液晶ディスプレイ用ガラス基板は、年々大面積化が進められているため、これらをプラズマ処理するために大面積にわたって密度が高く且つ均一なプラズマを発生する装置が必要とされている。
このような要求に対して、マイクロ波をチャンバ内に導入するための誘電体窓の内側(プラズマ側)に線状突起を設けたプラズマ処理装置が開示されている(特許文献1)。
Semiconductor wafers to be processed and glass substrates for liquid crystal displays are becoming larger in area year after year, and in order to perform plasma processing on these, an apparatus that generates high-density and uniform plasma over a large area is required. Yes.
In response to such a requirement, a plasma processing apparatus is disclosed in which linear protrusions are provided on the inner side (plasma side) of a dielectric window for introducing a microwave into a chamber (Patent Document 1).
図14は、特許文献1に開示されているプラズマ処理装置の誘電体窓をプラズマ側から眺めた斜視図である。このプラズマ処理装置においては、誘電体窓65を通過するマイクロ波は、線状突起22を避けて通過する。すなわち、線状突起22の間の溝66を選択的に通過する。従って、誘電体窓65の直下を表面波として伝搬するマイクロ波のモードに線状突起のパターンに対応した選択性が表れ、プラズマの密度を均一化することが可能となる。
FIG. 14 is a perspective view of the dielectric window of the plasma processing apparatus disclosed in
一方、本発明者らは、誘電体窓の内側(プラズマ側)にストライプ状の凹凸を設けることにより、大面積に亘って均一なプラズマを生成可能としたプラズマ発生装置を発明した(非特許文献1)。
図15は、本発明者らが発明したプラズマ発生装置の要部を表す模式図である。
すなわち、このプラズマ発生装置では、断面が矩形状の導波空間を有する導波管50を伝搬したマイクロ波は、スロットアンテナ52を介して誘電体透過窓54に入射する。誘電体透過窓54には、そのプラズマ側に、断面が矩形状の凹凸56が設けられている。凹凸56を設けない場合、スロットアンテナ52から放射されたマイクロ波は、スロットアンテナ52の近傍に局在化する傾向がある。これに対して、凹凸56を設けることにより、マイクロ波の表面波は、その凹凸56に沿って伝搬し、透過窓54の全面に亘って均一なプラズマを生成できる。
FIG. 15 is a schematic diagram showing the main part of the plasma generator invented by the present inventors.
That is, in this plasma generator, the microwave propagated through the
ところで、プラズマ発生装置においては、プラズマの均一性を上げるとともに、プラズマの生成効率を上げることが極めて重要である。プラズマの生成効率を上げるためには、プラズマがマイクロ波を吸収する際の吸収率が高くなくてはならない。このためには、マイクロ波の表面波の共振電子密度と、プラズマの電子密度とがマッチングしなければならない。しかし、本発明者の詳細な検討の結果、従来のプラズマ発生装置の場合、このようなマッチングは、プラズマの電子密度が特定の値の時のみにしか得られないことが判明した。つまり、従来のプラズマ発生装置においては、プラズマ電子密度が特定の値の時のみにしか、プラズマの生成効率を高くすることができなかった。 By the way, in a plasma generator, it is extremely important to improve the uniformity of plasma and the efficiency of plasma generation. In order to increase the plasma generation efficiency, the absorption rate when the plasma absorbs microwaves must be high. For this purpose, the resonant electron density of the microwave surface wave must match the electron density of the plasma. However, as a result of detailed studies by the inventors, it has been found that in the case of a conventional plasma generator, such matching can be obtained only when the electron density of the plasma is a specific value. That is, in the conventional plasma generator, the plasma generation efficiency can be increased only when the plasma electron density is a specific value.
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、プラズマの電子密度に依存せずに、常に高いプラズマ生成効率が得られるプラズマ発生装置、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。 The present invention has been made on the basis of recognition of such a problem, and an object of the present invention is to provide a plasma generator, a plasma processing apparatus, and a plasma processing method that can always obtain high plasma generation efficiency without depending on the electron density of plasma. It is to provide.
上記目的を達成するため、本発明のプラズマ発生装置は、プラズマを生成する空間を有するプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器の壁面の少なくとも一部を構成し、前記プラズマ生成容器の外側から内側にマイクロ波を導入する導波体と、を備え、前記導波体を介して導入されたマイクロ波により前記プラズマ生成容器内にプラズマを生成可能としたプラズマ発生装置であって、前記導波体は、前記プラズマに向けて実効的な誘電率が略連続的に低下する遷移領域を前記プラズマとの間に有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a plasma generation apparatus according to the present invention comprises a plasma generation container having a space for generating plasma, and at least a part of a wall surface of the plasma generation container, from outside to inside of the plasma generation container. A plasma introducing device capable of generating plasma in the plasma generation container by the microwave introduced through the waveguide, wherein the waveguide includes: In addition, a transition region in which an effective dielectric constant decreases toward the plasma substantially continuously is provided between the plasma and the plasma.
上記構成によれば、プラズマの電子密度に依存せずに、常に高いプラズマ生成効率が得られるプラズマ発生装置を提供することができる。 According to the above configuration, it is possible to provide a plasma generator that can always obtain high plasma generation efficiency without depending on the electron density of plasma.
ここで、前記導波体は、誘電体からなり、前記遷移領域は、前記プラズマに向けて前記誘電体の充填率が略連続的に低下してなる領域であるものとすることができる。誘電体の充填率を略連続的に低下させると、実効的な誘電率を低下させることができるので、プラズマの電子密度によらずに「表面波共振」を起こすことが可能となる。 Here, the waveguide may be made of a dielectric, and the transition region may be a region in which the filling factor of the dielectric decreases substantially continuously toward the plasma. When the filling factor of the dielectric is lowered substantially continuously, the effective dielectric constant can be lowered, so that “surface wave resonance” can occur regardless of the electron density of the plasma.
また、前記導波体は、誘電体からなり、前記遷移領域は、前記プラズマに向けて先端が集束する断面を有する誘電体からなる複数のストライプ状の凸部を有するものとすることができる。このような凸部を設けることによっても、実効的な誘電率を略連続的に低下させることができるので、プラズマの電子密度によらずに「表面波共振」を起こすことが可能となる。 Further, the waveguide may be made of a dielectric, and the transition region may have a plurality of stripe-shaped convex portions made of a dielectric having a cross section whose tip is focused toward the plasma. By providing such a convex portion, the effective dielectric constant can be reduced substantially continuously, so that “surface wave resonance” can occur regardless of the electron density of the plasma.
または、前記導波体は、誘電体からなり、前記遷移領域は、前記プラズマに向けて先端が集束した誘電体からなる複数の突起を有するものとしても、実効的な誘電率を略連続的に低下させることができるので、プラズマの電子密度によらずに「表面波共振」を起こすことが可能となる。 Alternatively, even if the waveguide is made of a dielectric, and the transition region has a plurality of protrusions made of a dielectric whose tip is focused toward the plasma, the effective dielectric constant can be substantially continuous. Therefore, it is possible to cause “surface wave resonance” regardless of the electron density of the plasma.
または、 前記導波体は、誘電体からなり、前記遷移領域は、前記導波体に設けられた先端が集束する複数の孔を有するものとしても、実効的な誘電率を略連続的に低下させることができるので、プラズマの電子密度によらずに「表面波共振」を起こすことが可能となる。 Alternatively, even if the waveguide is made of a dielectric, and the transition region has a plurality of holes for converging the tips provided in the waveguide, the effective dielectric constant decreases substantially continuously. Therefore, it is possible to cause “surface wave resonance” regardless of the electron density of the plasma.
また、前記遷移領域の厚みは、前記マイクロ波の波長よりも小さいものとすることができる。 Moreover, the thickness of the transition region may be smaller than the wavelength of the microwave.
また、前記導波体は、略平板状の透過窓であるものとすれば、いわゆる平面型プラズマ発生装置を実現できる。 Further, if the waveguide is a substantially flat transmission window, a so-called planar plasma generator can be realized.
または、前記導波体は、管状の放電管であるものとすれば、いわゆる放電管型のプラズマ発生装置を実現できる。 Alternatively, if the waveguide is a tubular discharge tube, a so-called discharge tube type plasma generator can be realized.
一方、本発明のプラズマ処理装置は、上記いずれかのプラズマ発生装置を備え、前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理方法は、上記いずれかのプラズマ発生装置を用い、前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施することを特徴とする。
On the other hand, a plasma processing apparatus of the present invention includes any one of the above plasma generators, and is characterized in that plasma processing of an object to be processed can be performed by the generated plasma.
The plasma processing method of the present invention is characterized in that any one of the above plasma generators is used, and a plasma processing is performed on an object to be processed by the generated plasma.
本発明によれば、マイクロ波を導入する導波体に遷移領域を設け、遷移領域において誘電率を略連続的に変化させることにより、プラズマの状態によらずに常に「表面波共振」を生ずることができる。すなわち、マイクロ波吸収率を常に高く維持し、プラズマの生成と維持の効率を上げることができる。 According to the present invention, a transition region is provided in a waveguide for introducing microwaves, and the dielectric constant is changed substantially continuously in the transition region, so that “surface wave resonance” is always generated regardless of the state of plasma. be able to. That is, the microwave absorption rate can always be kept high and the efficiency of plasma generation and maintenance can be increased.
その結果として、大面積の半導体ウェーハや液晶ディスプレイ用基板などに対して、高い効率で安定した均一且つ迅速なエッチング、アッシング、薄膜堆積、表面改質あるいはプラズマドーピングなどのプラズマ処理を実施することができ、産業上のメリットは多大である。 As a result, high-efficiency, stable, uniform and rapid etching, ashing, thin film deposition, surface modification, plasma doping, and other plasma treatments can be performed on large-area semiconductor wafers and liquid crystal display substrates. Yes, there are significant industrial advantages.
以下、本発明の実施の形態について、具体例を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to specific examples.
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構造を例示する模式断面図である。この装置は、処理チャンバ10と、この処理チャンバ10の上面に設けられた平板状の誘電体板からなる導波体(透過窓)54と、導波体54の外側に設けられた導入導波管50と、を有する。処理チャンバ10は、導波体54の下方の処理空間において半導体ウェーハなどの被処理物Wを載置して保持するためのステージ16を有する。
処理チャンバ10は、真空排気系Eにより形成される減圧雰囲気を維持可能であり、処理空間に処理ガスを導入するためのガス導入管(図示せず)が適宜設けられている。
また、本発明においては、真空中ではなく大気圧あるいは大気圧よりも高い圧力下でプラズマを生成することも可能である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the invention. This apparatus includes a
The
In the present invention, it is also possible to generate plasma not under vacuum but under atmospheric pressure or pressure higher than atmospheric pressure.
そして、本実施形態においては、導波体54の内側(プラズマ側)に、複数の突起などからなる遷移領域54Tが設けられている。後に詳述するように、遷移領域54Tにおいては、実効的な誘電率が、プラズマPに向けて略連続的に低下する。このような遷移領域54Tを設けることにより、プラズマPの電子密度によらず常に高いマイクロ波吸収率が得られ、その結果として、常に高いプラズマ生成効率が得られる。
In the present embodiment, a
本実施形態のプラズマ処理装置の動作について説明すると以下の如くである。
たとえば、このプラズマ処理装置を用いて被処理物Wの表面にエッチング処理を施す際には、まず、被処理物Wが、その表面を上方に向けた状態でステージ16の上に載置される。次いで、真空排気系Eによって処理空間が減圧状態にされた後、この処理空間に、処理ガスとしてのエッチングガスが導入される。その後、処理空間に処理ガスの雰囲気が形成された状態で、図示しないマイクロ波電源から、例えば2.45GHzのマイクロ波Mが導入導波管50に導入される。導波管50を伝搬したマイクロ波は、スロットアンテナ52を介して導波体54に向けて放射される。導波体54は、石英やアルミナなどの誘電体からなり、マイクロ波Mは、表面波として導波体54の表面を伝搬し、チャンバ10内の処理空間に放射される。このようにして処理空間に放射されたマイクロ波Mのエネルギーにより、処理ガスのプラズマPが形成される。こうして発生したプラズマ中の電子密度が導波体54を透過して供給されるマイクロ波Mを遮蔽できる密度(カットオフ密度)以上になると、マイクロ波は導波体54の下面からチャンバ内の処理空間に向けて一定距離(スキンデプス)dだけ入るまでの間に反射され、マイクロ波の定在波が形成される。
The operation of the plasma processing apparatus of the present embodiment will be described as follows.
For example, when performing an etching process on the surface of the workpiece W using this plasma processing apparatus, first, the workpiece W is placed on the
すると、マイクロ波の反射面がプラズマ励起面となって、このプラズマ励起面で安定なプラズマPが励起されるようになる。このプラズマ励起面で励起された安定なプラズマP中においては、イオンや電子が処理ガスの分子と衝突することにより、励起された原子や分子、遊離原子(ラジカル)などの励起活性種(プラズマ生成物)が生成される。これらプラズマ生成物は、矢印Aで表したように処理空間内を拡散して被処理物Wの表面に飛来し、エッチング、アッシング、薄膜堆積、表面改質、プラズマドーピングなどのプラズマ処理を行うことができる。 Then, the microwave reflection surface becomes the plasma excitation surface, and the stable plasma P is excited on this plasma excitation surface. In the stable plasma P excited on this plasma excitation surface, ions and electrons collide with the molecules of the processing gas, so that excited active species such as excited atoms, molecules, and free atoms (radicals) (plasma generation). Product) is generated. These plasma products diffuse in the processing space as indicated by the arrow A and fly to the surface of the workpiece W to be subjected to plasma processing such as etching, ashing, thin film deposition, surface modification, and plasma doping. Can do.
以上説明したように、マイクロ波励起型のプラズマ処理装置の場合、外部から供給されたマイクロ波Mは、導波体54の表面を表面波として伝搬し、プラズマPの生成・維持に必要なエネルギーを与える。この時、プラズマPがマイクロ波Mを吸収しないとエネルギーは供給されない。つまり、プラズマPのマイクロ波吸収率を上げることが望ましい。このマイクロ波吸収率は、プラズマPの電子密度に依存する。
As described above, in the case of a microwave-excited plasma processing apparatus, the microwave M supplied from the outside propagates as a surface wave on the surface of the
そして、本実施形態によれば、導波体54に遷移領域54Tを設けることにより、プラズマPの電子密度によらず、常に高いマイクロ波吸収率を得ることができる。その結果として、プラズマPの電子密度がどのような値であっても、常にプラズマPの生成・維持の効率を上げることができる。以下、この理由について詳述する。
According to the present embodiment, by providing the
図2は、マイクロ波が表面波として伝搬する様子を表した概念図である。すなわち、外部から供給されたマイクロ波Mは、図2(a)に表したように、導波体54の表面を伝搬し、導波体54とプラズマPとの界面を進行して、プラズマPにエネルギーを与える。この時、導波体54とプラズマPとの界面の近傍における電界分布は、図2(b)に表したように、導波体54の表面においてほぼ最大となる。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing how a microwave propagates as a surface wave. That is, as shown in FIG. 2A, the microwave M supplied from the outside propagates on the surface of the
前述したように、プラズマPの生成・維持の効率を上げるためには、マイクロ波Mに対する吸収率(A)を上げることが必要である。マイクロ波吸収率Aは、プラズマPの誘電率εpと、導波体54の誘電率εdとに依存し、次式により表すことができる。
プラズマPの誘電率εpは、プラズマの電子密度neとカットオフ密度ncとにより決定され、次式により表される。
Permittivity epsilon p of the plasma P is determined by the plasma electron density n e and the cut-off density n c, it is expressed by the following equation.
プラズマPの誘電率εpと、導波体54の誘電率εdとが次式の関係にある状態を「表面波共振(surface wave resonance)」と称することとする。
つまり、表面波プラズマ源の場合、プラズマPの電子密度neが「表面波共振」が生ずる電子密度nswrから離れた条件において、高い効率でプラズマPを生成し維持することはできない。従って、高い電子密度のプラズマPを生成させる場合には、導波体54の誘電率εdを上げる必要がある。例えば、誘電率εdが約3.8の石英の代わりに、εdが約10のアルミナセラミックを用いることにより対処する。
That is, in the case of a surface wave plasma source, under conditions in which the electron density n e of the plasma P is separated from the electron density n swr the "surface wave resonance" occurs, it is impossible to maintain generate plasma P with high efficiency. Therefore, when the plasma P having a high electron density is generated, it is necessary to increase the dielectric constant ε d of the
しかし、導波体54の誘電率εdを上げた場合、それよりも密度の低いプラズマPに対しては「表面波共振」が得られず、マイクロ波Mの吸収率が低下してプラズマPの生成・維持の効率が下がることとなる。つまり、従来の表面波プラズマ源の場合、導波体54の誘電率εdに応じて効率よく生成・維持できるプラズマの電子密度が決定されてしまう。
However, when the dielectric constant ε d of the
これに対して、本発明者らが非特許文献1において開示した構造においては、「表面波共振」が生ずる電子密度が2種類に増加する。
In contrast, in the structure disclosed by the present inventors in
図3は、非特許文献1において本発明者らが開示した導波体の表面付近を拡大して表した模式断面図である。すなわち、誘電体からなる導波体54の表面に、断面が矩形状の凹凸56が設けられている。導波体54を構成する誘電体の誘電率をεdとした場合、凹凸56の部分における実効的な(effective)誘電率εeffは、次式により表され、誘電体の誘電率εdとプラズマPの誘電率εpとの中間的な値となる。
しかし、この方法の場合にも、「表面波共振」が生ずる電子密度は2種類しか存在せず、これらいずれにも対応しない電子密度のプラズマは、マイクロ波吸収率が低くて生成・維持の効率が低くなるという問題がある。
FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view showing the vicinity of the surface of the waveguide disclosed by the present inventors in
However, even in this method, there are only two types of electron density at which "surface wave resonance" occurs. Electron density plasma that does not correspond to any of these has low microwave absorption rate and is efficient to generate and maintain. There is a problem that becomes low.
これに対して、本発明においては、図1に表したように、導波体54の表面において、充填率γをその高さ方向に対して略連続的に変化させることにより、実効的な誘電率εeffを略連続的に変化させる。こうすることにより、導波体54の表面付近において、幅広い範囲の電子密度に対応するプラズマに対して、「表面波共振」の条件を満たすことができる。
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 1, an effective dielectric is obtained by changing the filling factor γ substantially continuously in the height direction on the surface of the
図4は、プラズマが生成された状態での誘電率の分布を例示するグラフ図である。
すなわち、導波体54の表面(プラズマ側)が平坦面の場合、図4(a)に表したように誘電率は2値的に変化する。すなわち、導波体54を構成する誘電体の誘電率εd と、プラズマの誘電率εp と、の間で2値的且つ不連続的に変化する。
FIG. 4 is a graph illustrating the dielectric constant distribution in a state where plasma is generated.
That is, when the surface of the waveguide 54 (plasma side) is a flat surface, the dielectric constant changes in a binary manner as shown in FIG. That is, the dielectric constant ε d of the dielectric constituting the
図4(a)に表した誘電率分布の場合には、(4)式に表したように、プラズマの誘電率εp が−εd に等しい場合のみ、「表面波共振」の条件が満足される。すなわち、プラズマの電子密度も、(5)式により表される電子密度nswr に等しい場合のみ、「表面波共振」の条件が満足されてマイクロ波の吸収率が高くなる。従って、プラズマが、それ以外の電子密度を有する場合には、「表面波共振」の条件は満足されず、マイクロ波の吸収率が低下するため、プラズマの生成・維持の効率が低くなる。 In the case of the dielectric constant distribution shown in FIG. 4A, the condition of “surface wave resonance” is satisfied only when the dielectric constant ε p of plasma is equal to −ε d as shown in the equation (4). Is done. That is, only when the electron density of the plasma is equal to the electron density n swr expressed by the equation (5), the condition of “surface wave resonance” is satisfied and the microwave absorption rate is increased. Therefore, when the plasma has other electron density, the condition of “surface wave resonance” is not satisfied and the absorption rate of the microwave is lowered, so that the efficiency of plasma generation / maintenance is lowered.
一方、図4(b)に表した誘電率分布は、図3に表したように矩形状の断面を有する凹凸56が設けられた場合に対応する。この構造の場合、凹凸56の部分における実効的な誘電率εeff は(6)式により表した如くであり、充填率γの値に応じて、導波体54を構成する誘電体の誘電率εpとプラズマの誘電率εpとの間の値を有する。
On the other hand, the dielectric constant distribution shown in FIG. 4B corresponds to the case where the unevenness 56 having a rectangular cross section is provided as shown in FIG. In the case of this structure, the effective dielectric constant ε eff at the concave and convex portion 56 is as expressed by the equation (6), and the dielectric constant of the dielectric constituting the
これに対して、本発明においては、図4(c)及び(d)に例示した如く、誘電率が連続的に変化する。すなわち、本発明においては、導波体54の表面(プラズマ側)付近に、複数の突起などからなる遷移領域54Tを設けることにより、実効的な誘電率εeff を略連続的に変化させる。
On the other hand, in the present invention, as illustrated in FIGS. 4C and 4D, the dielectric constant continuously changes. That is, in the present invention, the effective dielectric constant ε eff is changed substantially continuously by providing the
例えば、図4(c)に表した具体例の場合、遷移領域54Tの誘電率εeff を誘電率εd からεp に至るまでの範囲に亘り、連続的に変化させることができる。
また、図4(d)に表した具体例の場合、遷移領域54Tの誘電率εeff をεeff1 からεeff2 に至るまでの範囲に亘って連続的に変化させることができる。
For example, in the case of the specific example shown in FIG. 4C, the dielectric constant ε eff of the
Further, in the case of the example shown in FIG. 4 (d), it can be continuously varied over a range of the dielectric constant epsilon eff of the
このようにすれば、遷移領域54Tの誘電率εeff が変化している範囲に対応して、幅広い電子密度のプラズマに対して、「表面波共振」の条件を満足させることができる。つまり、プラズマの電子密度によらずに、高いマイクロ波吸収率を実現し、プラズマの生成・維持の効率を上げることができる。
図5は、プラズマの強度が変化した時の遷移領域の誘電率の分布を例示するグラフ図である。
すなわち、プラズマを生成する前は、同図(a)に表したように遷移領域54Tにおいて誘電率εeff は、εd からゼロに所定の分布で変化する。
In this way, the “surface wave resonance” condition can be satisfied for plasma with a wide electron density corresponding to the range in which the dielectric constant ε eff of the
FIG. 5 is a graph illustrating the dielectric constant distribution in the transition region when the plasma intensity changes.
That is, before the plasma is generated, the dielectric constant ε eff changes from ε d to zero in a predetermined distribution in the
プラズマ処理装置にマイクロ波を導入してプラズマが生成する過程などにおいて、プラズマ強度が弱い場合には、図5(b)に表したように、プラズマPの誘電率εp の絶対値も小さい。これに対して、遷移領域54Tにおける誘電率εeff は、プラズマPの誘電率εpと誘電体の誘電率εdとの間に連続的に分布している。従って、遷移領域54Tにおいて、プラズマPの誘電率εpに対応して「表面波共振」を生ずる誘電率εeffを有する部分があり、この部分で「表面波共振」が生ずる。
In the process of generating plasma by introducing microwaves into the plasma processing apparatus, when the plasma intensity is weak, as shown in FIG. 5B, the absolute value of the dielectric constant ε p of the plasma P is also small. In contrast, the dielectric constant ε eff in the
プラズマPの強度がさらに強くなった時も、図5(c)及び(d)に表した如く、遷移領域54Tにおいて、プラズマPの誘電率εpに対応して「表面波共振」を生ずる誘電率εeffを有する部分があり、この部分で「表面波共振」が生ずる。
Even when the intensity of the plasma P is further increased, as shown in FIGS. 5C and 5D, the dielectric that causes “surface wave resonance” corresponding to the dielectric constant ε p of the plasma P in the
このように、本発明によれば、遷移領域54Tにおいて誘電率を略連続的に変化させることにより、プラズマの状態によらずに常に「表面波共振」を生ずることができる。その結果として、マイクロ波吸収率を常に高く維持し、プラズマの生成と維持の効率を上げることができる。
As described above, according to the present invention, by changing the dielectric constant substantially continuously in the
従って、例えば、プラズマPの点火の際に、低い電子密度においても高いマイクロ波吸収率が得られるので、安定してプラズマを点火させ、マイクロ波からエネルギーを投入して速やかに電子密度を所定値のレベルに上昇させることができる。
また、プラズマPを生成して運転中に、その電子密度が不必要に変動したような場合にも、マイクロ波の吸収率が低下してプラズマが失火するような問題を解消でき、常に高いマイクロ波吸収率を与えることにより、高い効率でプラズマを維持し、所定値の電子密度にフィードバックさせることができる。
またさらに、プラズマPの電子密度を変えたいような場合にも、常に高いマイクロ波吸収率を与えることにより、常に高い効率でプラズマを生成・維持することができる。
Therefore, for example, when the plasma P is ignited, a high microwave absorption rate can be obtained even at a low electron density. Therefore, the plasma is ignited stably, energy is input from the microwave, and the electron density is quickly set to a predetermined value. Can be raised to any level.
In addition, even when the electron density fluctuates unnecessarily during operation by generating plasma P, it is possible to eliminate the problem that the plasma absorption rate is reduced and the plasma is misfired. By giving the wave absorption rate, the plasma can be maintained with high efficiency and fed back to a predetermined electron density.
Furthermore, even when it is desired to change the electron density of the plasma P, it is possible to always generate and maintain plasma with high efficiency by always giving a high microwave absorption rate.
なお、図4(c)及び(d)及び図5は一例に過ぎず、遷移領域54Tにおける誘電率εeff の分布としては、この他にも各種の分布を与えることができる。
4C, 4D, and 5 are merely examples, and various other distributions can be given as the distribution of the dielectric constant ε eff in the
図6は、遷移領域54Tにおける誘電率εeff の分布を例示するグラフ図である。すなわち、遷移領域54Tの誘電率εeff は、図6(a)に表したように略直線状に変化してもよく、また、図6(b)に表したように階段状に変化してもよい。階段状に変化させた場合、厳密には連続的とはいえないが、「表面波共振」の条件が満足される場合が増える点で有利であり、変化のステップを細かくすれば実質的に連続的な変化と同等の効果を得ることもできる。
FIG. 6 is a graph illustrating the distribution of the dielectric constant ε eff in the
図7は、本発明において用いることができる導波体54の形状を例示する模式図である。 まず、同図(a)に表した具体例の場合、導波体54の表面(プラズマ側)に、断面が略三角形状の複数のストライプ状の凸部54Pが設けられている。これら凸部54Pの設けられた領域が遷移領域54Tとして作用する。断面が略三角形状の凸部54Pを設けた場合、図4(c)あるいは図6(a)などに例示した如く、遷移領域54Tの誘電率εeff の最大値と最小値を、それぞれ誘電体の誘電率εdとプラズマPの誘電率εp にまで拡げることができる。凸部54Pの高さ、すなわち遷移領域54Tの幅(厚み)は、マイクロ波の波長よりも小さいことが望ましく、典型的には、例えば数ミリメータ程度とすればよい。
FIG. 7 is a schematic view illustrating the shape of a
次に、図7(b)に表した具体例の場合、導波体54の表面(プラズマ側)に、断面が略台形状の複数のストライプ状の凸部54Pが設けられている。これら凸部54Pの設けられた領域が遷移領域54Tとして作用する。断面が略台形状の凸部を設けた場合には、図4(d)に例示した如く、遷移領域54Tの誘電率εeff の最大値と最小値は、それぞれ誘電体の誘電率εdとプラズマPの誘電率εp にまでは至らない。
Next, in the case of the specific example shown in FIG. 7B, a plurality of striped
次に、図7(c)に表した具体例の場合、導波体54の表面(プラズマ側)に、断面が略台形状でありその側面が湾曲した複数のストライプ状の凸部54Pが設けられている。これら凸部54Pの設けられた領域が遷移領域54Tとして作用する。本具体例の場合も、図4(d)に例示した如く、遷移領域54Tの誘電率εeff の最大値と最小値は、それぞれ誘電体の誘電率εdとプラズマPの誘電率εp にまでは至らない。
Next, in the case of the specific example shown in FIG. 7C, a plurality of stripe-shaped
また、図7(d)に表した具体例の場合、導波体54の表面(プラズマ側)に、断面が先端に向けて略階段状に集束する形状のストライプ状の凸部54Pが設けられている。このように、略階段状の断面形状を採用した場合には、平均の誘電率εeff の変化も略階段状となるが、変化のステップをある程度細かくすれば、誘電率εeff の変化を略連続的、すなわち実質的に連続的なものとすることが可能である。
Further, in the case of the specific example shown in FIG. 7D, a stripe-shaped
図8は、本発明において用いることができる導波体54の他の具体例を表す模式図である。
すなわち、同図(a)に表したように、導波体54の表面(プラズマ側)に、ピン状あるいはコーン状の複数の突起54Pを設けることにより、実効的な誘電率εeff を略連続的に変化させることができる。
FIG. 8 is a schematic view showing another specific example of the
That is, as shown in FIG. 5A, by providing a plurality of pin-shaped or cone-shaped
この場合、突起54Pの形状としては、同図(b)に表したように略円錐状でもよく、また、同図(c)に表したように略円錐台状でもよく、また、同図(d)に表したように 曲面回転体状や、同図(e)に表したように、その頂点を切り取った形状でもよい。またさらに、同図(f)に表したように、先端に向けて略階段状に集束する形状であってもよい。
In this case, the shape of the
これらいずれの場合にも、遷移領域54Tにおいて誘電率εeff を連続的または略連続的に変化させることができる。
In any of these cases, the dielectric constant ε eff can be changed continuously or substantially continuously in the
図9は、本発明において用いることができる導波体54のさらに他の具体例を表す模式図である。
すなわち、同図(a)に表したように、複数の先絞り状の孔54Hを設けることによっても実効的な誘電率εeff を連続的に変化させることが可能である。
この場合、孔54Hの形状としては、同図(b)に表したように略円錐状としてもよく、また、同図(c)に表したように略円錐台状、同図(d)に表したように曲面回転体状や、同図(e)に表したようにその頂点を切り取った形状であってもよい。またさらに、同図(f)に表したように、先端(孔の底)に向けて略階段状に集束する形状であってもよい。
FIG. 9 is a schematic view showing still another specific example of the
That is, as shown in FIG. 9A, the effective dielectric constant ε eff can be continuously changed by providing a plurality of
In this case, the shape of the
また、図7乃至図9に例示した以外にも、各種の形状を有する凸部、突起、あるいは孔を設けて同様の効果を得ることができる。また、これら凸部、突起、孔を適宜組合せもよい。すなわち、本発明においては、導波体54の表面(プラズマ側)において、誘電率εeff の連続的な変化が生ずる構造であればよい。
In addition to the examples shown in FIGS. 7 to 9, similar effects can be obtained by providing convex portions, protrusions, or holes having various shapes. Further, these convex portions, protrusions, and holes may be appropriately combined. That is, in the present invention, any structure may be used as long as the dielectric constant ε eff continuously changes on the surface (plasma side) of the
図10は、以上説明したように遷移領域54Tを設けたプラズマ処理装置の動作を表す概念図である。すなわち、導波体54に遷移領域54Tを設けることにより、プラズマPが高い効率で生成され、安定して維持される。その結果として、エッチングや薄膜堆積、表面改質などの各種のプラズマ処理を安定して実施することができる。
FIG. 10 is a conceptual diagram showing the operation of the plasma processing apparatus provided with the
またさらに、本発明においては、プラズマPの分布にあわせて、遷移領域54Tにおける誘電率εeff の変化特性にも分布を設けることができる。
図11は、プラズマPに分布がある場合の具体例を表す模式図である。すなわち、同図(a)は、プラズマPの電子密度neの分布を例示するグラフである。同図の横軸は導波体54の主面に対して平行な方向を表し、縦軸は電子密度を表す。このように、プラズマPの電子密度neが、導波体54の中央において高く、周辺において低い分布をとる場合がある。
一方、従来の導波体のように、表面波共振が生ずるための電子密度nswrが一定であると、図11(a)に表したように、共振条件が満足されるのは、同図において2点のみである。
これに対して、例えば、図11(b)に表したように、導波体54の凸部54Pの幅に分布を与えることができる。つまり、導波体54の中央付近において凸部54Pの幅を広く、周辺において凸部54のPの幅を狭くする。
この場合の充填率γのは、図11(c)に表したように、略段階的な分布を有する。つまり、充填率γは、導波体54の中央付近で高く、周辺において低くなる。
このように充填率γに最適な分布を設けると、図11(d)に「resonance」と表したように、プラズマPの電子密度neの分布と、導波体54の表面波共振が生ずるための電子密度nswrとをほぼ一致させることができる。つまり、プラズマPの全体にわたって共振条件を満足させることにより、高い効率でプラズマPを生成できる。
以上、図1乃至図11を参照しつつ、略平面状の導波体54を用いたプラズマ処理装置について説明した。しかし、本発明は、これらに限定されるものではなく、例えば放電管の内部においてプラズマを生成するプラズマ発生装置についても同様に適用して同様の効果が得られる。
Furthermore, in the present invention, in accordance with the distribution of the plasma P, a distribution can be provided in the change characteristic of the dielectric constant ε eff in the
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a specific example when the plasma P has a distribution. That is, this figure (a) is a graph illustrating the distribution of the electron density n e of the plasma P. The horizontal axis of the figure represents the direction parallel to the main surface of the
On the other hand, when the electron density n swr for generating the surface wave resonance is constant as in the conventional waveguide, the resonance condition is satisfied as shown in FIG. There are only two points.
On the other hand, for example, as shown in FIG. 11B, a distribution can be given to the width of the
In this case, the filling rate γ has a substantially stepwise distribution as shown in FIG. That is, the filling factor γ is high near the center of the
Thus providing the optimal distribution of the filling rate gamma, as expressed as "resonance" in FIG. 11 (d), the distribution of the electron density n e of the plasma P, the surface wave resonance of the
The plasma processing apparatus using the substantially
図12(a)は、放電管を用いたプラズマ発生装置を表す概念図である。すなわち、石英やアルミナなどの誘電体からなる放電管58の内部は、図示しない真空排気系及びガス導入系に接続され、その内部が所定のガス雰囲気に維持可能とされている。図示しないマイクロ波電源から供給されたマイクロ波Mは、導入部53において導入部放電管58に導入される。マイクロ波Mは、放電管58の表面を表面波SWとして伝搬し、放電管58とプラズマPとの界面を進行して、プラズマPにエネルギーを与える。この時、放電管58とプラズマPとの界面の近傍における電界分布は、図12(b)に表したように、放電管58の壁面においてほぼ最大となる。
このような放電管を用いたプラズマ発生装置の場合も、本発明を適用して遷移領域を設けることにより、プラズマの生成・維持の効率を高くすることができる。
FIG. 12A is a conceptual diagram showing a plasma generator using a discharge tube. That is, the inside of the
Also in the case of a plasma generator using such a discharge tube, the efficiency of plasma generation / maintenance can be increased by applying the present invention to provide a transition region.
図13は、本発明を適用した放電管型のプラズマ発生装置を表す概念図である。
すなわち、放電管58の内側(プラズマ側)に、遷移領域58Tが設けられている。遷移領域58Tは、図1乃至図11に関して前述したように、放電管58を構成する誘電体の誘電率εdとプラズマPの誘電率εp との合成的な誘電率εeffが、プラズマPの側に向かって連続的または略連続的に変化する領域である。
FIG. 13 is a conceptual diagram showing a discharge tube type plasma generator to which the present invention is applied.
That is, the transition region 58T is provided inside the discharge tube 58 (plasma side). As described above with reference to FIGS. 1 to 11, the transition region 58T has a composite dielectric constant ε eff of the dielectric constant ε d of the dielectric that constitutes the
このような遷移領域58Tを設けることにより、プラズマPの電子密度の幅広い範囲において「表面波共振」の条件が満足され、プラズマPの生成・維持の効率を上げることができる。本発明によれば、このようにして高い効率で安定して生成されたプラズマPを用い、放電管58の中に被処理物を配置してエッチングや薄膜堆積などのプラズマ処理を施してもよく、または、プラズマPにより生成されたラジカルなどの活性種を図示しない処理室に導入して、被処理物に対するエッチングや薄膜堆積などの処理を実施してもよい。そして、いずれの場合にも、遷移領域58Tを設けることにより高い効率で安定したプラズマPを生成できるので、高速で安定したプラズマ処理を実施できる。
By providing such a transition region 58T, the “surface wave resonance” condition is satisfied in a wide range of the electron density of the plasma P, and the efficiency of generating and maintaining the plasma P can be increased. According to the present invention, plasma P such as etching or thin film deposition may be performed by using the plasma P generated stably with high efficiency as described above, and placing the object to be processed in the
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。 The embodiments of the present invention have been described with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
例えば、本発明において用いる導波管、導波体、処理室、ステージ、放電管あるいはマイクロ波電源などの要素は、前述した形状、サイズのものには限定されず、その断面形状、壁面厚、開口の形状やサイズなどは適宜変更して同様の作用効果が得られ、本発明の範囲に包含される。 For example, elements such as a waveguide, a waveguide, a processing chamber, a stage, a discharge tube, or a microwave power source used in the present invention are not limited to the shapes and sizes described above, and the cross-sectional shape, wall thickness, The shape and size of the opening are appropriately changed to obtain the same function and effect, and are included in the scope of the present invention.
さらにまた、上述した具体例においては、プラズマ生成部および処理部の要部構成のみ説明したが、本発明は、このようなプラズマ生成部や処理部を有する全てのプラズマ処理装置も包含し、例えば、エッチング装置、アッシング装置、薄膜堆積装置、表面処理装置、プラズマドーピング装置などとして実現したプラズマ処理装置のいずれもが本発明の範囲に包含される。 Furthermore, in the specific examples described above, only the main configuration of the plasma generation unit and the processing unit has been described, but the present invention includes all plasma processing apparatuses having such a plasma generation unit and a processing unit, for example, Any plasma processing apparatus realized as an etching apparatus, an ashing apparatus, a thin film deposition apparatus, a surface treatment apparatus, a plasma doping apparatus, and the like is included in the scope of the present invention.
10 チャンバ
16 ステージ
22 線状突起
50 導波管
52 スロットアンテナ
53 導入部
54 導波体(透過窓)
54H 孔
54P 凸部(突起)
54T 遷移領域
56 凹凸
56A 根本
56B 先端
58 放電管
58T 遷移領域
65 誘電体窓
66 溝
E 真空排気系
M マイクロ波
P プラズマ
SW 表面波
W 被処理物
DESCRIPTION OF
54T transition region 56
Claims (10)
前記プラズマ生成容器の壁面の少なくとも一部を構成し、前記プラズマ生成容器の外側から内側にマイクロ波を導入する導波体と、
を備え、
前記導波体を介して導入されたマイクロ波により前記プラズマ生成容器内にプラズマを生成可能としたプラズマ発生装置であって、
前記導波体は、前記プラズマに向けて実効的な誘電率が略連続的に低下する遷移領域を前記プラズマとの間に有することを特徴とするプラズマ発生装置。 A plasma generation container having a space for generating plasma;
A waveguide that constitutes at least part of the wall surface of the plasma generation vessel, and that introduces microwaves from the outside to the inside of the plasma generation vessel;
With
A plasma generator capable of generating plasma in the plasma generation container by microwaves introduced through the waveguide,
The plasma generator according to claim 1, wherein the waveguide has a transition region between the plasma and an effective dielectric constant that decreases substantially continuously toward the plasma.
前記遷移領域は、前記プラズマに向けて前記誘電体の充填率が略連続的に低下してなる領域であることを特徴とする請求項1記載のプラズマ発生装置。 The waveguide is made of a dielectric,
2. The plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the transition region is a region in which a filling factor of the dielectric decreases substantially continuously toward the plasma.
前記遷移領域は、前記プラズマに向けて先端が集束する断面を有する誘電体からなる複数のストライプ状の凸部を有することを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ発生装置。 The waveguide is made of a dielectric,
3. The plasma generation apparatus according to claim 1, wherein the transition region has a plurality of stripe-shaped convex portions made of a dielectric material having a cross-section in which a tip converges toward the plasma.
前記遷移領域は、前記プラズマに向けて先端が集束した誘電体からなる複数の突起を有することを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ発生装置。 The waveguide is made of a dielectric,
3. The plasma generation apparatus according to claim 1, wherein the transition region has a plurality of protrusions made of a dielectric whose front ends are focused toward the plasma. 4.
前記遷移領域は、前記導波体に設けられた先端が集束する複数の孔を有することを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ発生装置。 The waveguide is made of a dielectric,
The plasma generation apparatus according to claim 1, wherein the transition region has a plurality of holes at which tips provided in the waveguide are focused.
前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma generator according to any one of claims 1 to 8, comprising:
A plasma processing apparatus characterized in that plasma processing of an object to be processed can be performed by the generated plasma.
A plasma processing method using the plasma generator according to claim 1 to perform plasma processing of an object to be processed by the generated plasma.
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A521 | Request for written amendment filed |
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A02 | Decision of refusal |
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