JP2007294185A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体窓直下の電界集中を緩和し、被加工物表面に均一なプラズマを生成することができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】誘電体窓３を有する処理室４と、マイクロ波発生手段５と、マイクロ波発生手段５が発生したマイクロ波を誘電体窓３を経て処理室４内に導入するマイクロ波放射手段と、前記マイクロ波放射手段内に前記マイクロ波放射手段と同軸に配置され、筒状の構造をし、少なくとも誘電体窓３側の面が開放され、側面が導体からなるアンテナ部１０ａと、アンテナ部の１０ａ内部の導体以外からなる電界制御部１０ｂより構成された中心電界制御手段１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波によりプラズマを生成して、被加工物をエッチング、成膜、アッシングなどの処理を行うプラズマ処理装置に関する。

ＵＬＳＩ（ultra large scale integrated circuit）素子の微細化、高集積化が急速に進められている。現在、φ３００ｍｍのウェハに対し、加工寸法が数１０ｎｍのデバイス加工が行われつつあり、そこではウェハ内で１〜２ｎｍのＣＤ（Critical Dimension）制御が求められている。このため、プラズマ処理装置としては、プラズマの密度を大面積に渡って均一にすることが望まれている。また、プラズマ処理の対象となる膜種も増加しており、使用ガスや圧力などさまざまな条件下で高い加工精度が求められる。このために、プラズマも低密度のものから高密度のものまで、広範囲の密度において大面積に渡って均一化することが求められている。

プラズマ密度分布の均一化に関する従来技術は、以下の二通りの方法に分類できる。
（１）処理室内に磁場を生成し、ＥＣＲ（electron cyclotron resonance）共鳴を利用する方法（特許文献１）と、
（２）導波管やアンテナ形状により、処理室内に導入するマイクロ波の電界分布を制御することで、処理室内のプラズマ分布を調整する方法であり、例えば、スロットアンテナの導入（特許文献２）である。

特開平６−１１２１６１号公報 特開２０００−２２３２９８号公報

プラズマは、導入するマイクロ波の周波数に依存する遮断密度を持つ。例えば、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合、遮断密度は７．４×１０^１６ｍ^−３である。遮断密度以下のプラズマでは、マイクロ波はプラズマ内にまで伝播し吸収される。一方、遮断密度以上になると、マイクロ波はプラズマ内には伝播できず、プラズマ表面で反射、吸収される。したがって、プラズマ内の電界分布はこの遮断密度を境に大きく異なる。実際のプロセスでは、遮断密度以下から遮断密度以上まで広範囲な処理密度が要求される。

従来技術（１）、（２）のいずれの方法においても、プラズマの密度が遮断密度以上の時には十分効果があり、均一密度のプラズマが得られる。ただし、プラズマの密度が低く、マイクロ波の遮断密度を下回るようなときには中心電界が強くなり、これに伴いプラズマ密度分布も凸分布（周辺より中央の密度が高い）になる。これは、遮断密度以下では、処理室内の電界がマイクロ波固有のモードの影響を強く受けるためである。

本発明の目的は、誘電体窓直下中央への電界集中を緩和し、被加工物表面に均一なプラズマを生成することで、低密度から高密度の広いプラズマ密度範囲にわたって、大面積で均一な処理を行えるプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明のプラズマ処理装置は、誘電体窓を有する処理室と、マイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段が発生したマイクロ波を前記誘電体窓を経て前記処理室内に導入するマイクロ波放射手段と、前記マイクロ波放射手段内に前記マイクロ波放射手段と同軸に配置され、筒状の構造をし、少なくとも前記誘導体窓側の面が開放され、側面が導体からなるアンテナ部と、前記アンテナ部の内部の導体以外からなる電界制御部より構成された中心電界制御手段とを備えることを特徴とする。

好適には、前記マイクロ波放射手段が、前記マイクロ波発生手段に接続された導波管と、前記導波管に同軸導波管変換器を介して接続された小径同軸導波管と、前記小径同軸導波管の外導体を拡大した拡大導波管とを備え、前記拡大導波管と前記アンテナ部が同軸で配置されている。

本発明によれば、マイクロ波を使ってプラズマを生成する方式において、広い範囲のプラズマ密度に対し、大面積に渡って均一な処理ができるプラズマ処理装置が提供できる。

以下、本発明のプラズマ処理装置を図面に従って説明する。図１は本発明の第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の構成を示す図である。図１ａは本実施の形態によるプラズマ処理装置の縦断面図である。図１ａにおいて、本実施の形態によるプラズマ処理装置は、被加工物１を載置する載置台２を内部に有すると共に載置台２に対面した誘電体窓３を有する処理室４を備える。本実施の形態によるプラズマ処理装置はさらに、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段５と、マイクロ波発生手段５に接続されマイクロ波発生手段５が発生したマイクロ波を伝播する矩形導波管６と、矩形導波管６に接続されマイクロ波を同軸ＴＥＭ（transverse electric and magnetic）モードに変換する同軸導波管変換器７と、同軸導波管変換器７に接続され同軸ＴＥＭモードのマイクロ波を伝播する小径同軸導波管８と、小径同軸導波管８の外導体８ａが拡大され誘電体窓３を間に挟んで処理室４に対向するように配置される拡大導波管９と、拡大導波管９内において誘電体窓３上に配置される中心電界制御手段１０とを備える。小径同軸導波管８の内導体８ｂは、拡大導波管９内まで延長され、中心電界制御手段１０のアンテナ部１０ａに電気的に接続される。中心電界制御手段１０は、筒状の構造をし、少なくとも誘電体窓３側の面が開放され、側面が導体からなるアンテナ部１０ａと、その内側の空気や誘電体（石英、アルミナなど）など導体以外のもので構成される電界制御部１０ｂよりなる。本実施の形態によるプラズマ処理装置の場合、中心電界制御手段１０のアンテナ部１０ａは、中空で下面が開放された円筒形である。

図１ｂは、図１ａのＡ−Ａ’線に対する横断面を示す図である。このように拡大導波管９と中心電界制御手段１０は同軸に配置される。例えば、高さが１２０ｍｍ程度、直径が４５０ｍｍ程度の拡大導波管９を用いる場合、アンテナ部１０ａの高さを６０ｍｍ程度、直径を２００ｍｍ程度とし、電界制御部１０ｂの高さを３５ｍｍ程度に設定する。

次に本実施の形態によるプラズマ処理装置の動作について説明する。マイクロ波発生手段５より発生したマイクロ波（通常２．４５ＧＨｚ）はＴＥ（transverse electric）１１モードで矩形導波管６を伝わり、同軸導波管変換器７に伝わり、小径同軸導波管８に至り同軸ＴＥＭ（transverse electric and magnetic）モードに変わる。同軸ＴＥＭモードのマイクロ波は、拡大導波管９内に伝播し、拡大導波管９を外導体、アンテナ部１０ａを内導体とした同軸導波管のＴＥＭモードのまま、誘電体窓３の拡大導波管９とアンテナ部１０ａの間の部分であるリング状のマイクロ波放射部を通過し、処理室４内に放射される。また、マイクロ波は、誘電体窓３や処理室４を経て、電界制御部１０ｂにも伝播する。

拡大導波管９まで伝播したマイクロ波は、誘電体窓３を通し、マイクロ波放射部の形状に沿った形でリング状に処理室４内に放射される。放射されたマイクロ波は中心部に集まろうとするが、電界制御部１０ｂに処理室４内とは位相の異なるモードが生成され、これらの位相が異なる２つのモードは重なり合い、誘電体窓３の中心部で互いに打ち消しあう。これにより、プラズマ１２はマイクロ波放射部の形状に沿った形でリング状に生成され、結果として、中心電界処理手段１０がない場合は凸分布を示していた被加工物１の表面付近におけるプラズマ密度分布を平坦にすることができ、その結果、被加工物１の表面を均一に処理することが可能になる。アンテナ部１０ａの内外径、内外高、電界制御部１０ｂの媒質を変化させることで、電界制御部１０ｂのモードや位相が変化し、マイクロ波放射部と、中心電界制御手段１０が配置された部分との、誘電体窓３直下での電界の強度比を制御することが可能になる。

図２は、従来のプラズマ処理装置と図１に示す本発明のプラズマ処理装置においてシミュレーションした誘電体窓３直下の電界分布を示すグラフである。図２ａは従来のプラズマ処理装置、図２ｂは本発明のプラズマ処理装置の場合である。プラズマ密度５×１０^１６ｍ^−３、１０×１０^１６ｍ^−３のときの誘電体窓３直下の電界分布を示す。各々上の図は分布図であり、グレースケールにおいて電界の強さを示す。下のグラフは、横軸は中心からの距離であり、縦軸は相対値である。従来のプラズマ処理装置において生じる中心部の高い電界が、本発明のプラズマ処理装置においては抑制されていることがわかる。

図３は、中心電界制御手段１０の形状の他の例を示す図である。中心電界制御手段１０は、少なくとも側面がすべて導体のアンテナ部１０ａで構成され、下面が開放されていることが必要である。アンテナ部１０ａは、図３（ａ）のような上面も導体のお椀型、多角形の箱型であってもよく、さらには、図３（ｂ）のような上面と下面が開放した断面が円形又は多角形の管状であってもよい。

図４は、本発明の第２の実施の形態によるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。図１と同様の要素は同じ符号で示す。大部分は図１に示した第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同様であるが、中心電界制御手段１０は、誘電体窓３から所定の間隔ｄをおいて配置される。これにより、誘電体窓３にかかる荷重をなくすことができる。例えば、高さが１２０ｍｍ程度、直径が４５０ｍｍ程度の拡大導波管９を用いる場合、アンテナ部１０ａの高さを５５ｍｍ程度、直径を１００ｍｍ程度、電界制御部１０ｂの高さを３０ｍｍ程度に設定し、中心電界制御手段１０を誘電体窓３から５ｍｍ程度離して配置することで、上述した図１の寸法例と同様な効果が得られる。中心電界制御手段１０と誘電体窓３の間隔は、５ｍｍ程度以下にする。

図５は、本発明の第３の実施の形態によるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。図１と同様の要素は同じ符号で示す。大部分は図１に示した第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同様であるが、アンテナ部１０ａが、入れ子状に同心に配置される複数の部分から成っている。図５には、２つの部分１０ａ’及び１０ａ”がある場合を示す。このようにすれば、誘電体窓３下のマイクロ波のモードをより複雑に制御できる。図２ａのグラフからもわかるように、中心電界制御手段がない場合の誘電体窓直下の電解分布は、単純な凸分布ではなく、中心部以外にもいくつかのピークを有する。中心電界制御手段を入れ子構造とすることにより、これらのピークの各々を抑制することが可能になる。

図６は、本発明の第４の実施の形態によるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。図１と同様の要素は同じ符号で示す。大部分は図１に示した第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同様であるが、小径同軸導波管８の外導体８ａをテーパ部６１で拡大し、直管部６２を介して拡大導波管９に接続する。小径同軸導波管８の内導体８ａは小径同軸導波管内にとどめ、中心電界制御手段１０に電気的に接続しない。テーパ部６１はインピーダンスマッチングを図り、マイクロ波の反射を防ぐためであり、内導体８ｂを中心電界制御手段１０に接続しない場合には特に必要である。

図７は、本発明の第５の実施の形態によるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。図１と同様の要素は同じ符号で示す。大部分は図１に示した第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同様であるが、小径同軸導波管８を内導体８ｂ及び外導体８ａ共にテーパ部７１で拡大し、直管部７２を介して外導体８ａを拡大導波管９に接続し、内導体８ｂをアンテナ部１０ａに接続する。さらに、内導体８ｂとアンテナ部１０ａとの接続部をテーパ状に拡大し、拡大導波管のコーナー部に径方向断面が直角三角形のリング状金属導体７３を配置したことを特徴とする。これらの構造を挿入することで、各部のインピーダンスマッチングを図り、マイクロ波の反射率を低減させることができる。

図８は、本発明の第６の実施の形態によるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。図７と同様の要素は同じ符号で示す。大部分は図７に示した第５の実施の形態によるプラズマ処理装置と同様であるが、処理室４の内部において共鳴層で電子サイクロトロン周波数となるような磁場（通常８７５ガウス）を発生するように、磁場コイル８１を処理室４の外部に配置した。共鳴層の位置を変化させることで、プラズマ発生位置を変化させることができ、より細かくプラズマ密度分布を制御できる。なお、この図の例では磁場コイル８１以外は第５の実施の形態によるプラズマ処理装置と同様であるとしたが、他の実施の形態によるプラズマ処理装置と同様であってもよい。さらに、各実施の形態における特徴同士を任意に組み合わせてもよい。

本発明は、プラズマ処理装置に利用可能である。

ａは本発明の第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の縦断面図であり、ｂはａのＡ−Ａ’線に対する横断面を示す図である。 従来のプラズマ処理装置と本発明のプラズマ処理装置において測定した誘電体窓直下の電界分布を示すグラフである。 ａ及びｂは中心電界制御手段の形状の例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態によるプラズマ処理装置の縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態によるプラズマ処理装置の縦断面図である。 本発明の第４の実施の形態によるプラズマ処理装置の縦断面図である。 本発明の第５の実施の形態によるプラズマ処理装置の縦断面図である。 本発明の第６の実施の形態によるプラズマ処理装置の縦断面図である。

符号の説明

１ 被加工物
２ 載置台
３ 誘電体窓
４ 処理室
５ マイクロ波発生手段
６ 矩形導波管
７ 同軸導波管変換器
８ 小径同軸導波管
８ａ 内導体
８ｂ 外導体
９ 拡大導波管
１０ 中心電界制御手段
１０ａ アンテナ部
１０ｂ 電界制御部
１２ プラズマ
６１、７１、７４ テーパ部
６２、７２ 直管部
７３ リング状金属導体部
８１ 磁場コイル

Claims (12)

1. 誘電体窓を有する処理室と、
   マイクロ波発生手段と、
   前記マイクロ波発生手段が発生したマイクロ波を前記誘電体窓を経て前記処理室内に導入するマイクロ波放射手段と、
   前記マイクロ波放射手段内に前記マイクロ波放射手段と同軸に配置され、筒状の構造をし、少なくとも前記誘導体窓側の面が開放され、側面が導体からなるアンテナ部と、前記アンテナ部の内部の導体以外からなる電界制御部より構成された中心電界制御手段とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記マイクロ波放射手段が、
   前記マイクロ波発生手段に接続された導波管と、
   前記導波管に同軸導波管変換器を介して接続された小径同軸導波管と、
   前記小径同軸導波管の外導体を拡大した拡大導波管とを備え、
   前記拡大導波管と前記中心電界制御手段が同軸で配置されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記小径同軸導波管の内導体が前記中心電界制御手段の前記アンテナ部に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記アンテナ部が、前記誘電体窓側の面以外は前記電界制御部を囲んでいることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
5. 前記アンテナ部の前記誘電体窓と反対側の面が開放されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
6. 前記中心電界制御手段が前記誘電体窓と所定の間隔をおいて設置されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
7. 前記アンテナ部は、筒状の構造をし、少なくとも前記誘電体窓側の面が開放され、側面が導体からなる、互いに大きさの異なる複数の部分が入れ子状に同軸に配置されて成ることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
8. 前記処理室内に磁場を発生する磁場発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
9. 前記小径同軸導波管と前記アンテナ部の間に接続された、前記アンテナ部に向かって内導体及び外導体の径が広がるテーパ部と、内導体及び外導体の径が前記テーパー部の最大径と同じままで延長する直管部を有するテーパ構造同軸導波管をさらに備えることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
10. 前記テーパ構造同軸導波管の直管部の内導体と前記中心電界制御手段と接続部において、前記内導体はさらにテーパ状に拡大することを特徴とする請求項９記載のプラズマ処理装置。
11. 前記拡大導波管の内径と略同じ外径を有し、径方向断面が外側が垂直で内側が傾斜する直角三角形である金属リングを、前記拡大導波管内側の前記誘電体窓と反対側に、前記誘電体窓方向に内径が広がるように配置したことを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
12. 前記マイクロ波放射手段が、
    前記マイクロ波発生手段に接続された導波管と、
    前記導波管に同軸導波管変換器を介して接続された小径同軸導波管と、
    前記小径同軸導波管に接続され外導体の径が広がるテーパ部と、外導体の径が前記テーパ部の最大径と同じままで延長する直管部とを有するテーパ構造同軸導波管と、
    前記テーパ構造同軸導波管の外導体を拡大して成り、前記中心電界制御手段と同軸で配置された拡大導波管とを備え、
    前記小径同軸導波管の内導体は前記アンテナ部に接続されないことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。

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