JP2641450B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、CVD,エツチング，スパツタリング，アツシ
ング等の各技術における高速処理に好適なマイクロ波に
よるプラズマ処理装置に関する。

〔従来の技術〕 低温プラズマを用いた装置を大別すれば、真空中で平
行平板電極の一方に10kHz〜30MHz程度の高周波電圧を印
加してプラズマを発生させる技術を用いるもの（半導体
研究18;p.121〜170.半導体研究19;p.225〜267）と、2.4
5GHzのマイクロ波を真空室へ導入してプラズマを発生さ
せる技術を用いるものがある。従来、これらの内で平行
平板電極による技術が主として用いられてきた。

一方、半導体素子の微細化に伴い、プラズマ処理時に
発生するイオンの衝撃により素子特性が影響を受けるこ
とが問題となつてきた。さらに、処理能力の向上のため
に処理速度を上げることが要請されている。

処理速度を高める場合、単にプラズマの密度あるいは
ラジカル（イオン化直前の活性粒子）濃度を高めるだけ
では不十分である。プラズマ処理によるドライエツチン
グや、プラズマCVDでは、イオンのエネルギーが重要な
役割を果たしている。ドライエツチングの場合、イオン
のエネルギーが大きすぎると、下地の膜が削られたり結
晶構造に影響を与え、素子特性が劣化する。また、小さ
すぎると、エツチング面に形成されるポリマーの除去が
十分に行なわれず、エツチング速度が低下する。また
は、逆にポリマーによる保護膜が形成されず、パターン
の側面がエツチングされ、パターンの寸法精度が悪くな
るといつた問題を発生する。

プラズマCVDでも、イオンのエネルギーが弱いと膜組
成が粗となり、エネルギーが強いと密になるというよう
にイオンエネルギーが成膜に影響する。

したがつて、プラズマの高密化度と、イオンエネルギ
ーを適正に制御することが今後のプラズマ処理に不可欠
である。

これに関連する公知例として、特開昭56−13480号、
特開昭56−96841号に示されるようなマイクロ波を用い
た方式が提案されている。

マイクロ波によりプラズマを発生させる場合、マグネ
トロンにより発生したマイクロ波を低圧にしたプラズマ
処理室に放射しても、マイクロ波の電界強度が十分でな
いため、電子に十分なエネルギーが供給されず、プラズ
マを発生させることは困難である。

マイクロ波によりプラズマを発生させるためには、電
子が磁場と垂直な平面を回転するサイクロトロン周波数
とマイクロ波の周波数を合致させ共鳴状態にして電子に
エネルギーを供給する方法と、マイクロ波を空洞共振器
に放射してマイクロ波の振幅を大きくし、電界強度を強
めて電子にエネルギーを供給する方法の二つがある。前
者は特開昭56−13480号に示されたもので、有磁場マイ
クロ波あるいはECR（Electron Cyclotron Resonanc
e）法とよばれている。後者は特開昭56−96841号に示さ
れたものである。

マイクロ波により発生したプラズマでは、マイクロ波
より電子へ直接エネルギーが供給されるために、プラズ
マと試料との間に形成されるシース間電圧はほとんど変
化しない。そこで、特開昭56−13480号では、試料を載
せる電極に高周波電圧を印加し、シース間電圧を任意に
制御することにより、高速処理に必要なプラズマ密度と
適正なイオンエネルギーを得ることを提案している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

プラズマ処理では、イオンの量およびエネルギーが重
要な役割を果すことをさきに述べた。

従来技術の中でECR方式では、特開昭56−13480号に示
されるように、試料を載せた電極に高周波電圧を印加す
ると、この電極に対向する側には接地電極がないため、
高周波電流は周囲の処理室壁との間に流れ、その結果、
試料上でのイオンのエネルギーが不均一となる。また、
マイクロ波の電界分布も均一にはなつていないので、プ
ラズマ密度、すなわちイオン量も不均一となり、試料全
体を均一に処理することが困難であるという問題点があ
つた。

一方、空洞共振器を使つた方式では、共振器の中でプ
ラズマを発生させる構造であるため、プラズマが発生す
ると、マイクロ波の波長がプラズマの密度により変化す
ることから、共振条件が破れ、プラズマが不安定になる
という問題点があつた。すなわち、プラズマが発生する
までは、共振条件が満足されているため、マイクロ波の
電界強度が強くなり、プラズマが発生する。しかし、一
度プラズマが発生し、密度が高くなるとマイクロ波の波
長が変わるため、共振条件が破れ、電界強度が小さくな
つて、エネルギーの供給が減少し、プラズマ密度も低下
する。プラズマ密度が低下すると、波長が変わつて、再
び共振条件が満足され、その結果、再びプラズマ密度が
高まる。これらのくり返しによりプラズマを安定させる
ことが困難であつた。このプラズマから試料に入射する
イオンのエネルギーを制御するために、高周波印加電極
を空洞発振器内に設けると、マイクロ波の反射などが発
生し、プラズマはさらに不安定になるという問題点があ
つた。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、安
定で高密度のプラズマを均一な密度で発生させることが
できるとともに、試料に入射するイオンのエネルギーを
試料全体で均一にできるようなプラズマ処理装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

一般に、導波管または導波管の一種と考えられる空洞
共振器内をマイクロ波が進行する場合、導波管や空洞共
振器の壁面には、電場，磁場に対応した電流が流れる。
したがつて、この電流を横切るように壁面にスリツトを
設けると、スリツトの両端に電荷がたまり、その電荷量
がマイクロ波の進行に伴つて変化することから、スリツ
ト両端間の電界が変化し、導波管や空洞発振器の外部に
マイクロ波が放射される。

本発明は、この原理により、端面にマイクロ波を放射
するスリツトを設けた複数個の空洞共振器を、そのスリ
ツトを設けた端面をプラズマ処理室に向けて隣接配置
し、それぞれの空洞共振器にマイクロ波発生器から導波
管を通して独立にマイクロ波を送り込む構成とすること
で上記目的を達成したものである。

即ち、本発明は、独立してマイクロ波を供給する複数
個のマイクロ波供給手段と、この複数個のマイクロ波供
給手段のそれぞれに接続してこの複数個のマイクロ波供
給手段から独立して供給されたマイクロ波をそれぞれの
内部で共振させる複数個の空洞共振器を有する空洞共振
器手段と、内部を真空に排気する真空排気部を備えて内
部に試料を設置して空洞共振器手段と接続する処理室手
段とを備え、空洞共振器手段の複数の空洞共振器のそれ
ぞれが処理室手段と接続する面に独立して供給されて共
振させたマイクロ波を処理室手段の内部に放射して処理
室の内部にプラズマを発生させるスリツトを有してプラ
ズマ処理装置を構成した。

〔作用〕

従来のECR方式では、導波管の開口部より直接マイク
ロ波をプラズマ処理室内に放射する構成となつていた。
この構成でプラズマ処理室と導波管の開口部との間に接
地電極を設置すると、マイクロ波は接地電極で反射さ
れ、プラズマ処理室に供給されなくなつてしまう。

本発明では、導波管の端面を閉じて空胴共振器構造と
し、この端面にマイクロ波を放射するスリツトを設け、
かつこのような空胴共振器を複数個プラズマ処理室に隣
接して配置する構造としたため、これらの空胴共振器に
送り込むマイクロ波のパワーを独立に調整することによ
り、各共振器の端面のスリツトから放射されるマイクロ
波によつてプラズマ処理室内に均一な密度のプラズマを
発生させ、試料近傍におけるイオン量を均一化すること
ができる。さらに、試料に対向している空胴共振器の端
面をアース電位とすることにより、試料に印加した高周
波電圧による電流が均一に流れ、その結果、試料に入射
するイオンのエネルギー分布も均一化することができ
る。

上記構成において、プラズマ処理室内のマイクロ波の
波長はプラズマ密度に依存しているので、プラズマ密度
の値によつては空胴共振器の端面と試料載置電極との間
に定在波ができ、前述の理由によりプラズマが不安定と
なる場合がある。これを防ぐには、試料載置電極がマイ
クロ波の反射端ではなく、吸収端となるような構造とす
ればよく、そうすれば定在波はできず、プラズマが不安
定になることはない。試料載置電流を吸収端とする方法
としては、メツシユ状の基板載置電極の奥に抵抗体を設
置することが考えられる。メツシユ状電極を透過したマ
イクロ波が抵抗体に侵入すると、抵抗体内部に電流が流
れ、ジユール熱を発生する。したがつて、マイクロ波は
ここで減衰し、試料載置電極は吸収端となる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を第１図，第２図により
説明する。本実施例は、内側共振器５と外側共振器６を
同軸に配置した円筒形の空胴共振器を用いた例であり、
この内側共振器５と外側共振器６に、それぞれ第１マイ
クロ波発生器1,第２マイクロ波発生器２により第１導波
管3,第２導波管４を通してマイクロ波を導入する。第1,
第２のマイクロ波発生器1,2は、たとえばマグネトロン
である。各共振器で振幅が増大したマイクロ波は、各共
振器の端面を形成するスリツト板８に同心円状に設けら
れたスリツト8a,8bより隣接したプラズマ処理室12内に
放射される。プラズマ処理室12は、排気口13を通して図
示しない真空ポンプにより排気され、内部の圧力を１〜
10^-3Torrに制御できるようになつている。プラズマ処理
室12と空胴共振器5,6の間は、マイクロ波を通す石英板
７で空間的に隔離されている。

本実施例のプラズマ処理装置は、第１のマイクロ波発
生器１と第２のマイクロ波発生器２の出力を独立に調整
できるので、スリツト板８の直下におけるマイクロ波に
よる電界強度の半径方向分布を均一化することができ
る。処理ガスはガス導入管11を通してプラズマ処理室12
に導入され、ここでプラズマ化されるが、マイクロ波に
よる電界強度が均一であるため、プラズマ密度、すなわ
ちイオン量も均一化できる。

プラズマ処理室12内の試料（ウエハ）９に入射するイ
オンのエネルギーを制御するため、絶縁体10により処理
室壁から電気的に浮かせた試料載置電極14に高周波電源
15から高周波電圧を印加する。このとき、試料載置電極
14に対して接地電極となるスリツト板８を平行に対向配
置することができるため、スリツト板８との間に高周波
電流が一様に流れ、したがつて、試料９上でのイオンエ
ネルギーの分布が均一となる。

以上のように本実施例によれば、試料近傍でのイオン
量およびイオンエネルギーを均一化できるため、試料全
体の均一な処理が可能となる。

本発明において、プラズマ処理室に隣接して配置する
空胴共振器は同軸の円筒形共振器に限られるものでな
く、第３図，第４図に示すような矩形共振器19〜22を組
合わせた構造であつてもよい。

次に、本発明の第３の実施例を第５図により説明す
る。第１の実施例と同様に、第1,第２のマイクロ波発生
器1,2より放射されたマイクロ波は、第1,第２の導波管
3,4を通して同軸配置された内側共振器５と外側共振器
６にそれぞれ導入され、各共振器で振幅が増大したマイ
クロ波は、スリツト板８に設けたスリツト8a,8bよりプ
ラズマ処理室12へ放射される。

本実施例では、高周波電源15から高周波電圧が印加さ
れる試料載置電極をメツシユ状電極16で構成するととも
に、その下方に抵抗体17を設置し、このメツシユ状電極
16と抵抗体17を絶縁体10により処理室壁から電気的に浮
かしてある。このようにすれば、スリツト8a,8bより放
射されたマイクロ波は、試料９およびメツシユ状電極16
を透過して抵抗体17に侵入する。このとき、抵抗体17の
内部にマイクロ波による電流が流れてジユール熱を発生
し、この熱は冷却水管18を流れる冷却水により外部に持
ち去られる。したがつて、マイクロ波はここで減衰し、
メツシユ状電極16は吸収端となる。

以上のような構成とすることにより、スリツト板８と
メツシユ状電極16との間に定在波ができることはあり得
ず、したがつて、プラズマ密度と電界強度は無関係とな
り、プラズマは安定する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数個の空胴共振器の端面に設けた
スリツトよりプラズマ処理室内にマイクロ波を放射し、
それぞれの空胴共振器に送り込むマイクロ波のパワーを
独立に調整できる構成としたため、プラズマ処理室内に
安定で、かつ均一な密度のプラズマを発生させ、試料に
入射するイオン量を均一化することができる。

また、イオンエネルギーを制御するため、試料に高周
波電圧を印加する場合、スリツトを設けた空胴共振器の
端面を試料載置電極に対する接地電極とすることができ
るので、試料上でのイオンエネルギーの分布も均一化で
きる。以上により、均一で、再現性の良いプラズマ処理
ができるという効果があり、特に歩留り向上のため大径
ウエハを処理する場合に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の縦断面図、第２図は第
１図のＡ−Ａ線に沿つた横断面図、第３図は第２の実施
例の縦断面図、第４図は第３図のＢ−Ｂ線に沿つた横断
面図、第５図は第３の実施例の縦断面図である。 符号の説明 １……第１のマイクロ波発生器 ２……第２のマイクロ波発生器 ３……第１の導波管、４……第２の導波管 ５……内側共振器、６……外側共振器 ７……石英板、８……スリツト板 8a,8b……スリツト ９……試料、10……絶縁体 11……ガス導入管、12……プラズマ処理室 13……排気口、14……試料載置電極 15……高周波電源、16……メツシユ状電極 17……抵抗体、18……冷却水管 19〜22……矩形共振器

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】独立してマイクロ波を供給する複数個のマ
   イクロ波供給手段と、該複数個のマイクロ波供給手段の
   それぞれに接続して該複数個のマイクロ波供給手段から
   独立して供給されたマイクロ波をそれぞれの内部で共振
   させる複数の空洞共振器を有する空洞共振器手段と、内
   部を真空に排気する真空排気部を備えて前記内部の設置
   台部上に試料を設置して前記空洞共振器手段と接続する
   処理室手段とを備え、前記空洞共振器手段の複数の空洞
   共振器のそれぞれが前記処理室手段と接続する面に前記
   独立して供給されて共振させたマイクロ波を前記処理室
   手段の内部に放射して前記処理室の内部にプラズマを発
   生させるスリットを有することを特徴とするプラズマ処
   理装置。
2. 【請求項２】前記設置台部が高周波電源に接続されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズ
   マ処理装置。
3. 【請求項３】前記空洞共振器の前記処理室手段と接続す
   る前記スリットを設けた面が、接地されていることを特
   徴とする、特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理装
   置。
4. 【請求項４】前記処理室手段が、エッチングガスを内部
   に供給するガス供給部を更に備えていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。