JP2007035411A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマの高い均一性とプラズマの安定性を高めたプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】内部が減圧排気される処理室５１と、処理室内に設けられ被処理基板７１が配置される基板電極５２とを有するプラズマ処理装置１において、処理室５１の中心軸と略同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の同軸線路からなる導入経路１６と、電磁波を複数の出力ポートに分配する分岐回路２１と、分岐回路の出力ポート２４に接続され、プラズマ発生用電磁波の導入経路と略同心に設置され、共振空洞３２底部に心軸に対し放射状に配置したスロット３３を有するリング状空洞共振器３１とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係わり、特にマイクロ波等の高周波電力によりプラズマを発生するプラズマ発生装置を用いた、プラズマ処理の均一性に係わるプラズマ分布を安定に制御するのに好適なプラズマ処理装置に関する。

半導体装置の製造工程におけるプラズマ処理工程において、マイクロ波のような高周波を用いてプラズマを発生するプラズマ処理装置が用いられている。高い周波数を用いたプラズマ処理装置の利点としては、比較的低圧でも高密度のプラズマを発生できることから、プラズマ処理条件を広く取ることができ、様々な処理に適合したプラズマ処理を行えることが上げられる（例えば、特許文献１参照）。

一般にプラズマ処理装置において、発生するプラズマの分布はプラズマ処理の均一性を左右する主要な要素の一つである。低い周波数の電磁波でプラズマを発生する場合には、比較的容易に均一なプラズマを発生させることができるが、高い高周波でプラズマを発生させると、高周波電力が偏りやすく、均一なプラズマを生成させることが比較的困難となる傾向にある。これは、電磁波の波長がプラズマ処理装置のサイズに比べて短くなるため、処理装置の内部で様々な電磁波の分布を取り得るようになるためであると解釈できる。

例えば、マイクロ波プラズマ処理装置において広く用いられる周波数である２．４５ＧＨｚの高周波については、自由空間での波長は１２２ｍｍとなる。超ＬＳＩ等の回路素子を作成するために用いられる被処理基板としては直径２００ｍｍから３００ｍｍの物が主流となっている。したがって、２．４５ＧＨｚの高周波の波長は、被処理基板の直径に比べて短く、処理装置のサイズより短いことが多い。

このように波長の短い高周波がプラズマ処理装置の内部で偏って分布し、これに起因したプラズマ処理の不均一が問題となることが多い。
特開平９−２７０３８６号公報

上述の従来技術では空洞共振器等を用いることで、プラズマ発生用電磁波の分布を制御して均一なプラズマ処理を行っている。しかし、特許文献１記載のプラズマ処理装置のうち、例えば、図２４および図２５記載のプラズマ処理装置のように、マイクロ波の導入を側面から行う場合、処理条件によっては、マイクロ波導入方向によるプラズマの不均一が発生する場合があった。

また、別の課題として、同軸線路を概略、プラズマ処理室の中心軸付近に接続して、これにより電磁波を導入し、プラズマを発生させるプラズマ処理装置において、処理条件によってはプラズマが中心軸付近に集中してしまい、プラズマの均一性を損なう場合があった。

また別の課題として、条件によってはプラズマの密度が時間的に変動する場合があった。

本発明は、マイクロ波の導入手法に基づくプラズマの不均一性をなくすことを目的とする。さらに本発明は、プラズマがプラズマ処理室の中心軸付近に集中することを防いだプラズマ処理装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、プラズマ密度が時間的に変動することをなくするプラズマ処理装置を提供することを目的とする。すなわち、本発明は、プラズマの高い均一性とプラズマの安定性を高めたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上述の従来技術の図２４および図２５に示される実施例では、空洞共振器の励振を１個の方形導波管をリング状空洞共振器の側面に接続して行っていたが、この点に改良を加え、全体として装置の中心軸に対して対称な複数の位置から空洞共振器の励振を行うことで、上記課題は解決できる。

上記第２の課題に対しては、装置の中心軸付近で電界集中を起こさない電磁界分布でプラズマを発生させることで解決できる。また上記第２の課題を解決する他の方法として、装置の略中心軸から放射状に設けた複数のスロットアンテナを用いてプラズマ発生用電磁波を放射することで解決できる。

上記第３の課題に対しては、プラズマと共振器の間に空洞を設けることでプラズマ密度の時間変動を防止することができる。

本発明により、高い均一性とプラズマの安定性を高めたプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明は、内部が減圧排気される処理室と、前記処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、前記処理室内にプラズマ発生用電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と、前記処理室内を排気するための真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、前記処理室の中心軸と同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路と、該電磁波を複数の出力ポートに分配する分岐回路と、該分岐回路の出力ポートに接続され、該プラズマ発生用電磁波の導入経路と同心に設置されたリング状空洞共振器とを備えた。そして、本発明は、前記処理室の中心軸と同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路を同軸線路によって構成した。さらに、本発明は、前記リング状共振器の処理室側にスロットアンテナとして働くスロットを設け、該スロットから処理室内に電磁波を放射してプラズマを発生させるようにした。また、本発明は、前記スロットを前記リング状空洞共振器の中心軸に対し放射状に設けた。これらのプラズマ処理装置において、前記リング状空洞共振器とプラズマ処理室の間に空洞部を備えた。本明細書および特許請求の範囲における、「同心」に設置することは、厳密な同心状の配置のほかに多少のずれなどを有する略同心状の設置をも含んでいる。

図１を用いて本発明の第１の実施例を説明する。図１に本発明を用いたプラズマ処理装置としてのエッチング装置を示す。プラズマ処理装置１は、高周波電源１１と、アイソレータ１２と、自動整合機１３と、導波管１４と、同軸導波管変換器１５と、同軸線路１６と、分岐回路２１と、導体２２と、誘電体板２３と、短い同軸線路２４と、リング状空洞共振器３１と、共振空洞３２と、スロット３３と、共振空洞底部３４と、誘電体窓３５と、シャワープレート４１、プラズマ処理室５１と、基板電極５２と、外側静磁界発生手段６１と、内側静磁界発生手段６２と、バイアス側自動整合機１８と、バイアス電源１９とを有して構成される。

高周波電源１１により発生した電磁波が導波管１５によりアイソレータ１２、自動整合機１３を介して同軸導波管変換器１５で同軸線路１６に伝送される。高周波電源１１の発振周波数としては２．４５ＧＨｚのものを用いた。さらに同軸線路１６中を電磁波は伝送され、導体２２と誘電体板２３からなる分岐回路２１により複数の短い同軸線路２４に分岐されてリング状の空洞共振器３１にもたらされる。

短い同軸線路２４は、導体２２の端部付近から下方に伸びる中心導体２４１と、分岐回路２１の外部導体２４２とで同軸線路が構成される。

リング状の空洞共振器３１の共振空洞３２の共振空洞底部３４には、放射状に複数のスロット（スロットアンテナ）３３が設けられ、電磁波は、共振空洞底部３４、シャワープレート４１を介してプラズマ処理室５１に放射される。共振空洞底部３４の下方に誘電体窓３５が設けられ、さらにその下方に、シャワープレート４１が設けられる。誘電体窓３４およびシャワープレート４１の材質としては石英を用いた。

シャワープレート４１は、誘電体窓３４との間に設けた微小な間隙（図示を省略）を介して図示しない処理ガスの供給系から供給される処理ガスをプラズマ処理室５１内にシャワー状に供給できるように図示しない微小なガス供給孔が多数設けられている。

共振空洞３２には矢印で示す電界が生じる。

また、プラズマ処理室５１には図示しない真空排気系が接続され、プラズマ処理室５１内を真空排気すると共に、プラズマ処理室内を処理に適した所定の圧力に保持する働きをもつ。

プラズマ処理室５１内には、被処理基板７１を戴置するための基板電極５２が設置されている。基板電極５２には、バイアス電源１９が自動整合機１８を介して接続され、被処理基板７１にバイアス電位を与えることができる。バイアス電源１９の周波数としては４００ｋＨｚのものを用いた。

プラズマ処理室５１の周囲には、外側静磁界発生手段６１が設けられ、プラズマ処理室５１内に静磁界を加えることができる。プラズマ処理室５１内に電子サイクロトロン共鳴となる静磁界（周波数２．４５ＧＨｚの場合、０．０８７５テスラ）を発生させることで、高真空域でもプラズマの発生を容易にし、広い圧力範囲でのプラズマ処理を可能にすることができる。また静磁界の分布を調整することで、前記電子サイクロトロン共鳴を起こす位置やプラズマの拡散を制御して、プラズマの分布を調整することができる。

また、リング状空洞共振器３１のリングの内側にも内側静磁界発生手段６２が設けられ、静磁界の制御可能な範囲を拡大することができる。図１において、構造を説明するために、短い同軸線路２４とスロット３３が同一断面にあるように表示してあるが、実際には、後述するように、短い同軸線路２４とスロット３３は、互いにずれて設けられる。

図２に分岐回路２１の説明図を示す。図２−ａは分岐回路２１を上から見た図であり、図２−ｂは分岐回路２１を導体２２の上から見た断面図である。分岐回路２１は中心に同軸線路１６が接続され、同軸線路１６の内部導体が導体２２に接続している。導体２２は、本実施例の場合、図２−ｂに示すように、４分岐されて短い同軸線路２４に電磁波を分岐する。導体２２は誘電体板２３上に配置され、マイクロストリップ線路として知られる導波路構造になっている。同軸線路１６により給電された電磁波は４個の各同軸線路２４に同位相で等分配される。各同軸線路２４は、円周上に等間隔で配置され、該円周の中心は導体２２の中心点と一致する。

図３を用いてリング状の空洞共振器３１の構造を説明する。図３−ａはリング状空洞共振器３１を上から見た図であり、図３−ｂは共振空洞底部３４を上から見た断面図である。前述のように分岐回路２１に接続された同軸線路２４が円周上に等間隔で配置されており、この円周と同心にリング状の空洞共振器３１が接続されている。リング状空洞共振器３１の底部３４にはスロット３３が放射状に設けられており、空洞共振器３１内の電磁波を放射するスロットアンテナとして動作する。

図４に空洞共振器３１内の電界強度分布を模式的に示す。色の濃い部分が電界強度の高い領域を示す。また、矢印で空洞共振器底面を流れる表面電流の分布を同様に模式的に示す。共振空洞３２内に電界強度が周期的に変化する定在波を形成することがわかる。このリング状空洞共振器３１においては内部の電界成分は図４において紙面に垂直方向の電界成分のみを持つモードを用いている。同軸線路２４の接続位置付近に電界定在波の腹となる位置が来る。電界定在波が節となる位置で、空洞共振器内面を流れる表面電流が極大となり、この位置に表面電流を遮断する方向のスロット３３を設けると、スロット３３をアンテナとして効率よく動作させることができる。

本実施例では、リング状空洞共振器３１として定在波の腹が８個の物を用いた。定在波の腹は、同軸線路２４の接続位置直下に４個、同軸線路２４と同軸線路２４の間に各４個の合計８個の腹が来る。前記従来技術の表記法に従えばＴＭ４１モードに相当する電磁界分布である。同様にＴＭ５１、ＴＭ６１等のモードに関しては、分岐回路２１の分岐数をそれぞれ５個、６個等とし、空洞共振器内の電界定在波の腹の数がそれぞれ１０個、１２個等となり、節の位置付近にスロットアンテナ３３を設ければ効率よく高周波が放射され、同様の構成が可能となる。

共振器３１のサイズは、例えば、周波数２．４５ＧＨｚで空洞内の比誘電率が１の場合、例えばＴＭ４１、ＴＭ５１、ＴＭ６１モードで共振する空洞共振器３１として、例えば、表１に記載のサイズにすればよい。表１ではリングの幅（外側の半径と内側の半径の差）が１０９ｍｍの場合を計算したが、この寸法に限定されるものではなく、他の寸法でも良い。ＴＭモードの場合、共振条件は空洞共振器の高さによらないが、リングの幅を超えないことが望ましく、本実施例で、５０ｍｍとした。空洞共振器３１の高さがリングの幅を超えた場合には、他の共振モードが混入しやすくなるため、リングの幅を超えないことが望ましい。この共振寸法の算出方法や共振器の寸法例等は、前記特許文献１に記載されている。

本実施例では、放射状のスロット３３を電界定在波の節に相当する位置にそれぞれ１個ずつ設けたが、スロットアンテナの数や向き等はこれに限定されるものではない。空洞共振器３１の内面を流れる表面電流を遮るようにスロットを設ければ、これがアンテナとして動作することは公知であり、この原則に従いスロットの数を増減したり、向きを変更することも可能である。一般にスロットアンテナはスロットアンテナを設ける導体表面を流れる表面電流を遮るように設けると、効率よく電磁波を放射する。またスロットアンテナを設ける位置としては表面電流の大きい位置に設けると、同様に効率よく電磁波を放射できることが知られている。

本実施例のリング状空洞共振器３１の場合、表面電流は概略、図４に示す電界の節に相当する位置付近で大きくなり、電界の節に直交する方向に流れる。したがって、スロットアンテナの設置位置と方向は、節に沿って放射状に設け、節の位置に設けると効率よく放射することができる。

上述の電界定在波の節の位置にスロットアンテナを設けると、電磁波の放射効率を高めることができるが、さらに他の位置にスロットアンテナを設けても良い。また、スロットアンテナの設置位置を調整することで、放射効率を調整することもできる。原理的に電界定在波の腹の位置に放射状に設けたスロットアンテナからはほとんど電磁波が放射されない。スロットの設置位置を電界定在波の腹の位置から節の位置に移していくと、電磁波の放射効率を低い状態から高い状態に調整することができる。これにより、空洞共振器内の電界強度または電磁波の放射強度を調整することができる。

すなわち、定性的には、放射効率の高い位置にスロットアンテナを設けた場合には空洞共振器内の電界強度が低く、逆に放射効率の低い位置にスロットアンテナを設けた場合には、空洞共振器内の電界強度を高めることができる。

装置の中心と略同心に同軸線路１６を設けてこれにより電磁波を投入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置１において、プラズマ処理室５１の中心軸上に電界が集中して、プラズマの均一性を悪化させる等の不具合を生じさせる場合がある。これはプラズマ処理室５１の中心軸上で中心軸に沿った高周波電界成分が集中するために起きる現象である。

しかし、本プラズマ処理装置ではプラズマ処理室５１の中心軸付近で電界の大きさを小さくできるため、このような現象を起こすことはない。また比較的軸対称性の高いプラズマを発生させることができ、プラズマ処理の均一性を高めるのに有利である。

本発明のリング状空洞共振器３１において、放射状のスロットアンテナ３３を設けることの他の利点について説明する。上述のようにプラズマ処理室５１の中心と略同心に同軸線路１６を設けて、これにより電磁波を投入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、プラズマ処理室５１の中心付近に電界が集中する問題がある。放射状に設けたスロットアンテナからは放射される電磁波の電界は中心に集中する電界成分を原理的に持たないため、この問題を回避することができる。すなわち、本実施例で記述したＴＭ４１モードでは中心付近に電界が集中しないが、何らかの原因、例えば装置製作上の誤差や組み立て誤差等により、中心付近で電界集中し得るモードが混入した場合でも、放射状のスロットアンテナを用いることで、スロットアンテナがフィルタの働きをして、中心付近で電界集中し得るモードをプラズマ処理室内に放射させない効果がある。

本発明の第２の実施例を、図５を用いて説明する。第２の実施例と第１の実施例の違いはスロット３３と誘電体窓３５の間に空洞３６を設けたことである。その他の共通する部分の説明は省略する。スロット３３から放射された電磁波は、誘電体窓３５表面等で反射され再びスロット３３側へと戻る。スロット３３から放射された電磁波と誘電体窓３５表面等で反射された電磁波は互いに干渉し、定在波を形成する。空洞３６がない場合、条件によってはプラズマ密度が時間的に変動する場合がある。しかし、空洞３６の高さを最適な値に設定することで、プラズマ密度が時間的に変動する現象を抑制できた。この現象を定性的に考察した結果、本発明者は以下のように結論付けた。空洞３６の高さが最適でなく、プラズマ密度の時間的変動を抑制できない場合は下記のように説明できる。

（１）プラズマ負荷が何らかの外乱で密度が低下するとプラズマに吸収される電力が低下し、自動整合機１３の働きで極小に抑えられていた反射電力が増大する。

（２）プラズマ密度低下の時間スケールが速い場合、自動整合機１３の整合動作が追従できず、反射波が増大した状態がある時間継続する。反射波が増大すると、プラズマに吸収される電力が減少し、さらにプラズマ密度が低下する。

（３）上記の過程が早い時間スケールで起こると、メカニカルに構成される自動整合機１３の動作が追従できず、プラズマ密度が低下し続け、プラズマが消失するに至る場合もある。自動整合機１３が動作して反射波を抑制し始めると、再びプラズマ密度が増加して回復する。

一方、空洞３６の高さが最適に設定されている場合には、上記（１）、（２）の過程は同じであるが、上記（３）の過程が下記（３´）に示すように変更される。

（３´）反射波は、プラズマ負荷の反射端から反射され、空洞３６内を電源１１側へと戻る。

（４´）上記反射波（以下反射波１）は、空洞３６とスロットアンテナ３３の設置面（共振空洞底部）３４まで戻る。

（５´）上記スロットアンテナ３３の設置面３４で上記反射波１は再度反射してプラズマ負荷側に入射波として戻る。

（６´）上記再度反射してプラズマ側に入射した入射波（以下入射波２）は元の入射波と共にプラズマ負荷に入射し、プラズマ生成に寄与する。

（７´）入射波２と元の入射波の位相関係は、空洞３６の高さで調整可能であり、これらが互いに強めあう高さに調整することで、プラズマ密度低下による反射波の増大を防止することができ、プラズマ密度の時間的な変動を抑制することができる。

上記各実施例において、静磁界の発生装置を用いた例を説明したが、静磁界の発生装置は本発明に必須のものでなく、省略しても良い。省略により装置の構成部品が減って、装置コストの低減が可能となる効果がある。

本発明を用いたプラズマ処理装置の一実施例を示す断面図。 本発明で用いる分岐回路を説明するためのリング状空洞共振器の上面または導体上面での断面図。 本発明で用いるリング状空洞共振器を説明するための共振空洞上または共振空洞底部上での断面図。 本発明で用いるリング状空洞共振器内の電界強度の分布および表面電流を模式的に示す説明図。 本発明を用いたプラズマ処理装置の他の実施例を説明する断面図。

符号の説明

１１：高周波電源
１２：アイソレータ
１３：自動整合機
１４：導波管
１５：同軸導波管変換器
１６：同軸線路
１８：バイアス側自動整合機
１９：バイアス電源
２１：分岐回路
２２：導体
２３：誘電体板
２４：短い同軸線路
２４１：中心導体
２４２：外部導体
３１：リング状空洞共振器
３２：共振空洞
３３：スロット（スロットアンテナ）
３４：共振空洞底部
３５：誘電体窓
３６：空洞
４１：シャワープレート
４１：ガス供給空間
５１：プラズマ処理室
５２：基板電極
６１：外側静磁界の発生手段
６２：内側静磁界の発生手段
７１：被処理基板

Claims (5)

1. 内部が減圧排気される処理室と、
   前記処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、
   前記処理室内にプラズマ発生用電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
   前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と、
   前記処理室内を排気するための真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、
   前記処理室の中心軸と同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路と、
   該電磁波を複数の出力ポートに分配する分岐回路と、
   該分岐回路の出力ポートに接続され、前記プラズマ発生用電磁波の導入経路と同心に設置されたリング状空洞共振器とを備えた
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記処理室の中心軸と同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路が同軸線路によって構成された
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記リング状共振器の処理室側にスロットアンテナを設け、
   該スロットアンテナにより処理室内に電磁波を放射してプラズマを発生させる
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
   前記スロットアンテナが前記リング状空洞共振器の中心軸に対し放射状に設けられた
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記リング状空洞共振器とプラズマ処理室の間に空洞部を備えた
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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