JP2013134837A

JP2013134837A - プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2013134837A
Application number: JP2011283132A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Tsuji; 晃弘辻; Shojun Ko; 松潤康
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-08

Abstract

【課題】マイクロ波を導入するための誘電体窓が損傷するのを防止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】プラズマ処理装置１０は、基板Ｓを収容する処理チャンバ１１と、該処理チャンバ１１に隣接して配置されるプラズマ生成ユニット１２とを備え、該プラズマ生成ユニット１２は、マイクロ波を伝播させる導波管１５と、該導波管１５に接続されたプラズマ生成チャンバ１６と、導波管１５及びプラズマ生成チャンバ１６の間に介在し、導波管１５が伝播するマイクロ波をプラズマ生成チャンバ１６の内部へ導入する誘電体窓１７とを有し、プラズマ生成チャンバ１６の内部空間であるプラズマ発生空間Ｇは球状を呈し、処理チャンバ１１の内部と連通する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を用いてプラズマを生成するプラズマ生成装置及びプラズマ処理装置に関する。

従来、処理ガスからプラズマを生成し、該プラズマによって基板に処理を施す数々のプラズマ処理装置が用いられている。例えば、平行に配置された２つの平板状電極に高周波電力を供給することによって高周波電界を生じさせ、該電界によって加速された電子と処理ガスとで様々な反応を起こすことでプラズマを生成し、該プラズマによって基板へプラズマ処理を施す平行平板型のプラズマ処理装置が一般に用いられている。また、高周波電力ではなくマイクロ波を用いるプラズマ処理装置も用いられている。

図７は、マイクロ波を用いるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。

図７において、プラズマ処理装置６０は、真空チャンバ６２と、該真空チャンバ６２内へマイクロ波を導入する導波管６４と、真空チャンバ６２の内部に配置されて基板Ｓを載置する基板載置台６３と、導波管６４から真空チャンバ６２の内部へマイクロ波を導入する誘電体窓６５とを備える。

このプラズマ処理装置６０では、真空チャンバ６２の内部へ導入された処理ガスからマイクロ波によってプラズマが生成され、該プラズマ中のラジカルによって基板載置台６３上の基板Ｓにおいて、例えば、ダイヤモンドを成長させる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−３１７９２号公報

真空チャンバ６２の内部においてプラズマの電子密度が高まると、プラズマは誘電体窓６５を通過したマイクロ波を遮断する。これに加えて、高密度の不均一なプラズマ中では、電子プラズマ（角）周波数とマイクロ波周波数が一致する領域で、共鳴吸収が起こる。その結果、誘電体窓６５の近傍で積極的にプラズマが生成される。比較的圧力の高い条件下でプラズマを生成すると処理ガスの温度が非常に高温となり、誘電体窓６５を溶融等によって損傷させるおそれがあり、又、被処理体である基板Ｓの周辺において所望のプラズマを生成することができなくなるおそれがある。

本発明の目的は、マイクロ波を導入するための誘電体窓が損傷するのを防止し、且つ基板の周辺の所望の領域にプラズマを生成することができるプラズマ生成装置及びプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のプラズマ生成装置は、マイクロ波を伝播させる導波管と、該導波管に接続された球状（球状に近似する多面体形状や高次の関数で表される曲面で形成される空間形状を含む。）のプラズマ生成室と、前記導波管及び前記プラズマ生成室の間に介在し、前記導波管が伝播する前記マイクロ波を前記プラズマ生成室の内部へ導入する誘電体窓とを備えることを特徴とする。

請求項２記載のプラズマ生成装置は、請求項１記載のプラズマ生成装置において、前記プラズマ生成室は基板を収容する処理室に隣接して配置され、前記プラズマ生成室の内部は前記処理室の内部と連通することを特徴とする。

請求項３記載のプラズマ生成装置は、請求項１又は２記載のプラズマ生成装置において、前記導波管は前記プラズマ生成室の中心軸に関して対称的に配置されることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項４記載のプラズマ処理装置は、基板を収容する処理室と、該処理室に隣接して配置されるプラズマ生成装置とを備え、該プラズマ生成装置は、マイクロ波を伝播させる導波管と、該導波管に接続された球状のプラズマ生成室と、前記導波管及び前記プラズマ生成室の間に介在し、前記導波管が伝播する前記マイクロ波を前記プラズマ生成室の内部へ導入する誘電体窓とを有し、前記プラズマ生成室の内部は前記処理室の内部と連通することを特徴とする。

本発明によれば、マイクロ波が導入されるプラズマ生成室が球状を呈するので、プラズマ生成室内に存在する電磁波の境界条件となるプラズマ生成室の半径を適切に設定することにより、特定のモードの電磁波を励起できる。その結果、モードに応じた任意の領域で強電界領域を生じさせることができる。強電界領域は処理ガスからプラズマを生成する。したがって、誘電体窓から離れ且つ被処理体である基板周辺の所望の領域において強電界領域を生じさせることにより、プラズマを誘電体窓から離れた領域で生成することができ、もって、誘電体窓がプラズマによって損傷するのを防止することができるとともに、基板周辺の所望の領域にプラズマを生成することができる。

本発明の実施の形態に係るプラズマ生成装置を備えるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。図１のプラズマ処理装置における局所的な断面図であり、図２（Ａ）は図１における導波管の断面形状を示し、図２（Ｂ）は図１における円筒容器及び円柱部材の間に形成されるマイクロ波の導入路の断面形状を示す。図１におけるプラズマ生成ユニットの変形例の構成を概略的に示す図であり、図３（Ａ）は第１の変形例を示し、図３（Ｂ）は第２の変形例を示し、図３（Ｃ）は第３の変形例を示し、図３（Ｄ）は第４の変形例を示す。図１におけるプラズマ生成ユニットの変形例の構成を概略的に示す図であり、図４（Ａ）は第５の変形例を示し、図４（Ｂ）は第６の変形例を示す。図１におけるプラズマ発生空間の半径を変更した場合の電界強度分布の計算結果を示す図であり、図５（Ａ）はプラズマ発生空間の半径が５．５ｃｍの場合を示し、図５（Ｂ）はプラズマ発生空間の半径が８ｃｍの場合を示す。図１におけるプラズマ発生空間を処理チャンバの内部と連通させた場合の電界強度分布の計算結果を示す図であり、図６（Ａ）はステージを設けない場合を示し、図６（Ｂ）はステージから処理チャンバの上内面までの距離を２ｃｍに設定した場合を示し、図６（Ｃ）はステージから処理チャンバの上内面までの距離を１．５ｃｍに設定した場合を示す。マイクロ波を用いるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。

本発明者等は、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、プラズマ生成装置がマイクロ波を伝播させる導波管と、該導波管に接続された球状のプラズマ生成室と、導波管及びプラズマ生成室の間に介在し、導波管が伝播するマイクロ波をプラズマ生成室の内部へ導入する誘電体窓とを備えれば、プラズマ生成室の半径を適切に設定することで特定のモードの電磁波を励起でき、該特定モードに応じた任意の領域で強電界領域を生じさせることができ、もって、プラズマを誘電体窓から離し且つ被処理体である基板周辺の所望の領域において生成することができ、その結果、誘電体窓がプラズマによって損傷するのを防止することができるとともに、基板周辺の所望の領域にプラズマを生成することができることを見出した。

本発明は、上記研究の結果に基づいてなされたものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係るプラズマ生成装置を備えるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。

図１において、プラズマ処理装置１０は、基板Ｓにプラズマ処理を施す処理チャンバ１１（処理室）と、該処理チャンバ１１に隣接して配置されるプラズマ生成ユニット１２（プラズマ生成装置）とを備える。

処理チャンバ１１は、基板Ｓを載置するステージ１３を内部に有し、排気管１４が連結される。排気管１４は真空ポンプや圧力制御バルブ（ともに図示しない）に接続され、真空ポンプや圧力制御バルブは処理チャンバ１１の内部の圧力を制御する。ステージ１３は内部にヒータや冷却機構（ともに図示しない）を有し、載置された基板Ｓを適切な温度に保つ。

プラズマ生成ユニット１２は、マイクロ波ジェネレータ（図示しない）が発生させるマイクロ波を伝播させる導波管１５と、該導波管１５に接続されたプラズマ生成チャンバ１６（プラズマ生成室）と、導波管１５及びプラズマ生成チャンバ１６の間に介在する誘電体窓１７とを有する。

導波管１５は、同軸管（図２（Ａ）参照。）、若しくは円形導波管からなり、円形導波管の場合、諸寸法が所定の周波数のマイクロ波、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を最低次のモードで伝播できるように設定されている。

プラズマ生成チャンバ１６は図中における下端が半球状に形成された円筒容器１６ａと、図中における下端が半球状の凹部１６ｅに形成された円柱部材１６ｂとを有する。円柱部材１６ｂは円筒容器１６ａの内部に同軸で収容され、円柱部材１６ｂの下端の凹部１６ｅと円筒容器１６ａの下端の内壁面１６ｄとは球状のプラズマ発生空間Ｇ（プラズマ生成室の内部）を形成する。また、円筒容器１６ａの内側面及び円柱部材１６ｂの側面の間、並びに、円筒容器１６ａの上端の内壁面及び円柱部材１６ｂの上端の間の隙間には、誘電体窓１７が配される（例えば、図２（Ｂ）参照。）。

プラズマ生成チャンバ１６では、プラズマ発生空間Ｇへ図示しない処理ガス導入口から処理ガスが導入される。また、円筒容器１６ａの下端の一部が開放されてプラズマ発生空間Ｇと処理チャンバ１１の内部とが連通する。さらに、円筒容器１６ａの上面中心には導波管１５が接続される。すなわち、導波管１５は円筒容器１６ａの中心軸上に配置される。

プラズマ生成ユニット１２では、導波管１５を伝播するマイクロ波が誘電体窓１７によってプラズマ発生空間Ｇへ導入される。ここで、誘電体窓１７はプラズマ発生空間Ｇの外周に沿って該プラズマ発生空間Ｇに面する、すなわち、プラズマ発生空間Ｇの中心軸に関して対称的に該プラズマ発生空間Ｇに面するので、マイクロ波はプラズマ発生空間Ｇの中心軸に関して対称的に導入される。

また、プラズマ発生空間Ｇは球状を呈するので、その半径を適切に設定することによって特定のモードの電磁波を励起でき、結果として空間中の任意の領域、例えば、プラズマ発生空間Ｇの中心の上方において、強電界領域を形成できる。当該強電界領域では、マイクロ波からプラズマ中の電子へのエネルギー移行量が大きいために電子温度が高くなり、十分なエネルギーを持つ電子が処理ガス中の原子や分子と衝突を繰り返すことで高密度のプラズマが局所的に生成される。すなわち、強電界領域では他の領域よりもプラズマの生成が積極的に起こるため、強電界が生じた領域では密度の高いプラズマＰが生じる。換言すれば、本実施の形態では磁界等を利用することなく、マイクロ波の導入のみで処理ガスからプラズマＰを任意の領域で生じさせる。

ここで、プラズマ生成チャンバ１６のプラズマ発生空間Ｇと処理チャンバ１１の内部は連通するため、プラズマ発生空間Ｇで生じたプラズマＰの一部は処理チャンバ１１のステージ１３に載置された基板Ｓに到達し、該基板Ｓにプラズマ処理を施す。例えば、プラズマ処理装置１０では、処理ガスとして、水素ガス、炭素含有ガス、例えば、メタンガス、プロパンガスやアセチレンガス、及び不純物含有ガス、例えば、ホスフィンガスやジボランガスを含む混合ガスを用い、プラズマ発生空間Ｇや処理チャンバ１１の内部の圧力を１０〜２００Ｔｏｒｒに維持し、基板Ｓをステージ１３によって７００〜１２００℃に加熱することにより、処理ガスから生じたプラズマＰ中のラジカルによって基板Ｓ上でダイヤモンドを成長させる。

図１のプラズマ処理装置１０によれば、マイクロ波が導入されるプラズマ生成チャンバ１６のプラズマ発生空間Ｇが球状を呈するので、その半径を適切に設定することによって特定のモードの電磁波を励起でき、該特定のモードに応じた任意の領域で強電界領域を生じさせることができ、もって、プラズマＰを誘電体窓１７から離れた領域で生成することができる。その結果、誘電体窓１７がプラズマＰによって損傷するのを防止することができる。

プラズマ処理装置１０では、マイクロ波がプラズマ発生空間Ｇの中心軸に関して対称的に導入されるので、特定のモードの電磁波を励起するために必要な半径の設定、及び強電界領域が生じる領域の予測が容易となり、もって、生成されるプラズマＰの領域を容易に制御することができる。

本実施の形態において、プラズマ処理装置１０のプラズマ発生空間Ｇでモードに応じた強電界領域が任意の領域で生じることの主要因は、マイクロ波の境界条件となる円筒容器１６ａの下端の内壁面１６ｄや円柱部材１６ｂの下端の凹部１６eが半球状を呈し、その半径を調整することによって励起される電磁波のモードを特定できることにあると考えられる。したがって、プラズマ発生空間Ｇさえ球状を呈していれば、プラズマ発生空間Ｇに対するマイクロ波の導入形態がどのようなものであろうとも、例えば、マイクロ波がプラズマ発生空間Ｇの中心軸に関して対称的に導入されていなくとも、プラズマ発生空間Ｇの任意の領域において概ね局所的な強電界領域を生じさせることができる。

以上の理由から、導波管１５の配置には自由度があり、図１のプラズマ処理装置１０のように、導波管１５を円筒容器１６ａの中心軸上に配置する必要はない。例えば、図３（Ａ）に示すように、１つの導波管１５を円筒容器１６ａの中心軸からオフセットして配置してもよく、また、図３（Ｂ）に示すように、複数、例えば、２つの導波管１５を円筒容器１６ａの中心軸からオフセットして配置してもよい。

さらに、マイクロ波を必ずしも誘電体窓１７を経てプラズマ発生空間Ｇへ導入する必要もない。例えば、図３（Ｃ）に示すように、プラズマ生成ユニット１２が、球状のプラズマ生成チャンバ１８と、該プラズマ生成チャンバ１８の中心を指向するようにプラズマ生成チャンバ１８へ取り付けられた複数、例えば、２つの導波管１５ａを備えてもよく、または、図３（Ｄ）に示すように、プラズマ生成ユニット１２が、球状のプラズマ生成チャンバ１８と、該プラズマ生成チャンバ１８の中心を指向するようにプラズマ生成チャンバ１８へ取り付けられた１つの導波管１５ａを備えてもよい。図３（Ｃ）や図３（Ｄ）に示すプラズマ生成ユニット１２においても、プラズマ生成チャンバ１８が球状を呈するため、プラズマ生成チャンバ１８の内部の任意の領域において概ね局所的な強電界領域を生じさせることができる。

また、図３（Ｂ）や図３（Ｃ）のプラズマ生成ユニット１２のように複数の導波管１５，１５ａを備える場合には、各導波管１５，１５ａを円筒容器１６ａの中心軸やプラズマ生成チャンバ１８の中心軸に関して対称的に配置するのが好ましい。これにより、結果的にプラズマ発生空間Ｇやプラズマ生成チャンバ１８の内部へ各中心軸に関して対称的にマイクロ波を導入することができ、プラズマＰの生成領域を容易に制御することができる。

また、プラズマ処理装置１０において処理チャンバ１１内のステージ１３を、図４（Ａ）に示すように、図中上下方向に移動可能に構成してもよい。これにより、プラズマＰと基板Ｓとの距離を制御することができ、もって、プラズマＰを利用した成膜時には、基板Ｓにおける成膜速度や膜の厚さ分布を制御することができる。また、プラズマＰを利用したエッチング時には、基板Ｓにおけるエッチングレートや該エッチングレートの分布を制御することができる。

さらに、図４（Ｂ）に示すように、円筒容器１６ａを図中下方へ延伸してプラズマ発生空間Ｇを球状ではなく、円筒状空間と該円筒状空間の上下にそれぞれ位置する半球状の空間によって構成してもよい。この場合であっても、円筒容器１６ａの下端の内壁面１６ｄや円柱部材１６ｂの下端の凹部１６が半球状を呈するため、これらの半径や円筒状空間の高さを適切に設定することによって特定の領域に強電界領域を生じさせることができる。その結果、プラズマ発生空間Ｇにおいて任意の領域で局所的な強電界領域を生じさせることができる。

以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

上記実施の形態では、プラズマ発生空間Ｇが球状であったが、該プラズマ発生空間Ｇは球状に近似する多面体形状や、高次の関数で表される曲面で形成される空間形状によって構成されてもよい。

次に、本発明の実施例について説明する。

まず、プラズマ発生空間Ｇの形状の違いの局所的な強電界領域の発生形態への影響を検討するために、図１のプラズマ生成ユニット１２を想定して実施例１及び実施例２の２次元モデルを作成し、実施例１ではプラズマ発生空間Ｇの半径を５．５ｃｍに設定し、実施例２ではプラズマ発生空間Ｇの半径を８ｃｍに設定した。

次いで、プラズマ発生空間Ｇ内にω＞ω_ｐｅを満たすｎ_ｅ＝１０^１６ｍ^−３の分布が一様な低密度のプラズマが既に存在し（ωはマイクロ波（角）周波数、ω_ｐｅは電子プラズマ（角）周波数、ｎ_ｅは電子密度を示す。）、且つ運動量移行衝突周波数ν_ｍはωに等しいと仮定した上で、ＣＯＭＳＯＬ社製の電磁界計算モジュールを用いて実施例１及び実施例２における電界強度分布を計算し、その結果を図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示した。なお、図５（Ａ）は実施例１における電界強度分布を示し、図５（Ｂ）は実施例２における電界強度分布を示す。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、プラズマ発生空間Ｇの形状が異なっていても、プラズマ発生空間Ｇが球形を呈すれば、局所的な強電界領域を生じさせることができることが分かった。また、プラズマ発生空間Ｇの形状を変更すれば、生じる局所的な強電界領域の形状が変わることも分かった。これにより、局所的な強電界領域の発生はプラズマ発生空間Ｇの形状が主要因であることが推察された。

次に、プラズマ発生空間Ｇを処理チャンバ１１の内部と連通させた場合の局所的な強電界領域の発生形態への影響を検討するために、図１のプラズマ生成ユニット１２及び処理チャンバ１１を想定して実施例３乃至実施例５の２次元モデルを作成し、実施例３ではステージ１３を設けず、実施例４ではステージ１３から処理チャンバ１１の上内面までの距離を２ｃｍに設定し、実施例５ではステージ１３から処理チャンバ１１の上内面までの距離を１．５ｃｍに設定した。

次いで、実施例１及び２と同じ条件で同じＣＯＭＳＯＬ社製の電磁界計算モジュールを用いて実施例３乃至実施例５における電界強度分布を計算し、その結果を図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に示した。なお、図６（Ａ）は実施例３における電界強度分布を示し、図６（Ｂ）は実施例４における電界強度分布を示し、図６（Ｃ）は実施例５における電界強度分布を示す。

図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に示すように、プラズマ発生空間Ｇを処理チャンバ１１の内部と連通させても、プラズマ発生空間Ｇが球形を呈すれば、局所的な強電界領域を生じさせることができることが分かった。これによっても、局所的な強電界領域の発生はプラズマ発生空間Ｇの形状が主要因であることが推察された。また、ステージ１３を上下動させても局所的な強電界領域の領域が殆ど変わらないことも分かった。これにより、ステージ１３を上下動させるだけで所望の成膜速度やエッチングレートを容易に実現できることが予想される。

Ｇプラズマ発生空間
Ｐプラズマ
１０プラズマ処理装置
１１処理チャンバ
１２プラズマ生成ユニット
１３ステージ
１５導波管
１６プラズマ生成チャンバ
１７誘電体窓

Claims

マイクロ波を伝播させる導波管と、
該導波管に接続された球状のプラズマ生成室と、
前記導波管及び前記プラズマ生成室の間に介在し、前記導波管が伝播する前記マイクロ波を前記プラズマ生成室の内部へ導入する誘電体窓とを備えることを特徴とするプラズマ生成装置。
前記プラズマ生成室は基板を収容する処理室に隣接して配置され、前記プラズマ生成室の内部は前記処理室の内部と連通することを特徴とする請求項１記載のプラズマ生成装置。
前記導波管は前記プラズマ生成室の中心軸に関して対称的に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ生成装置。
基板を収容する処理室と、
該処理室に隣接して配置されるプラズマ生成装置とを備え、
該プラズマ生成装置は、マイクロ波を伝播させる導波管と、該導波管に接続された球状のプラズマ生成室と、前記導波管及び前記プラズマ生成室の間に介在し、前記導波管が伝播する前記マイクロ波を前記プラズマ生成室の内部へ導入する誘電体窓とを有し、
前記プラズマ生成室の内部は前記処理室の内部と連通することを特徴とするプラズマ処理装置。