JP2670623B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

マイクロ波プラズマ処理装置

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JP2670623B2
JP2670623B2 JP63234037A JP23403788A JP2670623B2 JP 2670623 B2 JP2670623 B2 JP 2670623B2 JP 63234037 A JP63234037 A JP 63234037A JP 23403788 A JP23403788 A JP 23403788A JP 2670623 B2 JP2670623 B2 JP 2670623B2
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32357—Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ECR現象を利用して生成したプラズマを用
いて、基板に対してエッチング、薄膜形成等の表面処理
を行なう、半導体デバイスの製造プロセスに使用される
マイクロ波プラズマ処理装置に関するものである。
（従来の技術と発明が解決しようとする問題点） 従来この種の装置としては、例えば、特開昭56−1555
35号公報所載の発明が知られている。この公報に示され
たマイクロ波プラズマ処理技術は、所定の強さの磁場が
印加されたプラズマ発生室内に、マイクロ波を導入して
電子サイクロトロン共鳴現象を起こし、これにより発生
したエネルギーでプラズマ発生室内のガスをプラズマ化
し、プラズマ流を発散磁場によって基板処理室内に引出
し、そのイオンの衝撃効果によって、基板ホルダー上に
載置した基板に対してエッチングや薄膜形成等の表面処
理を行なうものである。
そして、エッチングを行なう場合はプラズマ発生室
に、成膜を行なう場合はプラズマ発生室と基板処理室の
双方に、ガスを導入するガス導入系を設け、エッチング
または成膜すべき膜の種類に応じて導入するガスの種類
を選択するようにしている。
第８図はN2ガス20sccmをプラズマ発生室内に導入し、
処理圧力5.0×10-4Torr、マイクロ波電力600Wを印加し
たときの、上記従来の装置のイオン電流密度の、基板面
内分布と面内平均値を示したものである。これによると
基板面内分布は引出し距離が大きいほど良くなるが、そ
の反面イオン電流密度平均値は低くなっていく。
また第９図に、マイクロ波の印加電力を変えたときの
基板面内におけるイオン電流密度の各値を示す。イオン
電流密度値は基板中心で高く、基板周辺に向かうにつれ
て小さくなり、この傾向はマイクロ波電力を大きくした
場合に顕著である。
これは次のような理由による。
即ち、マイクロ波電力が大きくなるとプラズマはプラ
ズマ発生室内の中心部に集まり、そのままの状態で発散
磁場で導き出されて基板に到達するため、どうしても基
板中心でプラズマ密度が大になる。処理速度分布はプラ
ズマ密度、換言すればイオン電流密度の分布で決定され
るため、均一な処理速度が得られない。
以上のことから従来の方式では均一な基板の処理を行
なうことができず、均一性を少しでもよくしようとすれ
ば、引出し距離を大きくしなければならず、装置を大型
化してしまうとともに、処理速度を低下させてしまう欠
点があった。
（発明の目的） 本発明の目的は、大口径の基板の表面処理を行なう場
合や、印加するマイクロ波電力を大きくした場合等にお
いても、均一なエツチングや薄膜形成を行なうことがで
きるようにした、小型化を実現したマイクロ波プラズマ
処理装置を提供することにある。
（問題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本願の請求項１記載の発明
は、上記プラズマ発生室の回りに、その周方向と軸方向
の両方向につきそれぞれ複数個であるような複数の補助
マグネットを設置し、且つそれらマグネットの極性は、
前記両方向につき極性が交互に交替するように構成した
ものである。また、請求項２記載の発明は、請求項１の
構成において、ECRを生じさせる磁場を設定するため上
記プラズマ発生室の回りに主マグネットが設けられ、上
記補助マグネットは、この主マグネットの内側であって
プラズマ発生室の回りに設けられている構成を有してい
る。また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の
構成において、プラズマ発生室の全体もしくは一部が載
頂円錐状内壁を備えるという構成を有している。さら
に、請求項４記載の発明は、請求項１又は２の構成にお
いて、プラズマ発生室の壁がSiO2等の絶縁体からなり、
該プラズマ発生室へのマイクロ波導入が、該壁を通して
行なわれるように構成されている。
（作用） プラズマ発生室の周囲に補助マグネットを上記のよう
に設置したことによってプラズマ発生室の内壁近傍に強
磁場を設けてこの部分に高密度プラズマを発生させるこ
とができ、プラズマ発生室内において全体として高密度
プラズマを均一な状態にすることができる。
プラズマ発生室の回りに設けた主マグネットの内側で
あってプラズマ発生室の回りに補助マグネットを設ける
ようにすることで、さらに効率よくプラズマを均一化さ
せることができる。
プラズマ発生室の全体または一部の截頂円錐状内壁化
によってさらにその均一化は促進される。
また、プラズマ発生室壁の全体からマイクロ波を導入
する方法によってもその均一化の向上が得られる。
（実施例） 第１図（概略の正面断面図）、第２図（そのＡ−Ａ断
面図）は、本発明の第１の実施例である。
電子サイクロトロン共鳴によってプラズマを発生する
プラズマ発生室１に隣接して、基板を処理するための基
板処理室２が設けられ、プラズマ発生室１の外周には、
空芯ソレノイドコイル３が周設されている。さらにプラ
ズマ発生室１を巡って空芯ソレノイドコイル３の内側
に、複数の補助マグネット群８（811,…,841）を周設し
ている。補助マグネットは、プラズマ発生室の軸方向に
つき第１段に、周方向に見て811,812,813,…,817,818、
同じく第２段に821,…828、第３段に831,…838、第４段
に841,…848、の合計32個が設けられてあり、その磁極
は図示のように、周方向にも軸方向にも、隣接するマグ
ネットの磁極はすべて互いに反対磁性を示すように構成
されている。
プラズマ発生室１にはプラズマを生成するためのガス
を導入するガス導入系７を備えるとともに、石英ガラ
ス、セラミックス等の絶縁物からなるマイクロ波導入窓
４が設けられている。そしてマイクロ波電源６から導波
管５を通じて送られてきたマイクロ波を、テーパー状内
壁を備えた終端部とマイクロ波導入窓４を経由してプラ
ズマ発生室１内に導入する。プラズマ発生室１にはマイ
クロ波導入窓４に隣接して截頂円錐状内壁を備えたブロ
ック14が設置してある。
また、上記プラズマ発生室１には、基板処理室２との
境界部分にプラズマ引出し板９を設置している。そし
て、プラズマ発生室１で生成されたプラズマは、このプ
ラズマ引出し板９の中央部に形成されたプラズマ引出し
口10を通って基板処理室２内に導かれる。
基板処理室２内にはプラズマ引出し板９に対向する位
置に基板ホルダー12が設置されている。
被処理基板11は、図示しない搬送機構により外部から
基板処理室２内に搬入され、被処理面をプラズマ引出し
口10に向けて基板ホルダー12に載置乃至保持される。
この基板処理室２には真空排気系13を接続している。
真空排気系13は、例えば、ターボ分子ポンプと油回転ポ
ンプで構成されている。
次に、本実施例の動作を説明する。
まず真空排気系13を動作させて基板処理室２内を所定
の圧力に到達するまで排気した後、ガス導入系７からプ
ラズマ発生室１内に所定のガスを導入して処理圧力に調
整し維持する。そして2.45GHzのマイクロ波が導波管５
を通りマイクロ波導入窓４を介してプラズマ発生室１に
導入される。
一方空芯ソレノイドコイル３に電流を供給してプラズ
マ発生室内に875Gの磁場を発生させ、この磁場とマイク
ロ波の両者によってプラズマ発生室１内に電子サイクロ
トロン共鳴が引き起こされ、この際のエネルギーでプラ
ズマ発生室１内に導入されたガスは高密度にプラズマ化
される。
但し、マイクロ波電力を大きくするに従って、高密度
プラズマが中心付近に集中し、プラズマ発生室１の内壁
近傍でプラズマ密度が低くなる。
ここで、第1,2図に示された、プラズマ発生室１の周
囲に周方向と軸方向の両方につき磁性が交互に交替する
ように設置された32個の補助マグネット群８は、プラズ
マ発生室１の内壁近傍に部分的に強い磁界を作りその部
分で高密度プラズマを発生させる。またその一方で、プ
ラズマ発生室１内に設けられた截頂円錐状内壁を備えた
ブロック14によってマイクロ波は効率よく損失なく均一
にプラズマ発生室内に導入される。その結果導入された
ガスは、プラズマ発生室内全体に渡って均一且つ高密度
にプラズマ化されることになる。
第３図はこの実施例の装置で、ガス導入系７よりN2ガ
ス（20sccm）をプラズマ発生室１内に導入し、処理圧力
5.10-4Torr、マイクロ波電力600Wを印加したときのイオ
ン電流密度の基板面内分布およびその面内平均値を示し
た前記第８図と同様の図である。プラズマの引出し距離
が小さい場合でも基板面内でのイオン電流密度分布が従
来の第８図と比べて大幅に向上しているのがわかる。
また第４図は、そのときの前記した第９図同様の基板
面内のイオン電流密度値のデータを示す。
これらの図は、プラズマ発生室１の周囲に設置された
補助マグネット群８がプラズマ発生室１内の壁面付近に
強磁場を作って、プラズマ密度の低かった周辺部を中心
部と同程度のプラズマ密度にまで高めたことを示してい
る。
これによって、基板の面内処理速度を均一にしつつ、
プラズマ引出し板から被処理基板までのプラズマの引出
し距離を充分に小さくして装置の小型化を達成し、しか
もイオン電流密度の高い高速処理を可能とした。
なお、上記補助マグネット群８の各マグネットは、ソ
レノイドコイルまたは永久磁石のいずれで構成してもよ
い。ソレノイドコイルの場合は個々に磁場強度を変化さ
せ処理の均一度を調整しうる便宜がある。
なお補助マグネット群８の大きさ、取り付け位置、個
数のエッチング条件または成膜条件に応じて変更可能で
ある。
第５図は本発明の第２の実施例のプラズマ発生室の概
略の断面図である。
プラズマ発生室１内に設けられた截頂円錐状内壁を備
えたブロックの形状が異なる以外は第１の実施例と同じ
である。
また第６図は截頂円錐状内壁を備えたブロックの断面
形状の各例を示したものである。これらブロックの形状
を選ぶことで、ブロックのない場合と較べて、処理の均
一度、処理の速度をそれぞれ３％は上昇できることが明
かとなっている。
第７図は本発明の第３の実施例のプラズマ発生室の概
略断面図である。SiO2、Al2O3等の絶縁物からなる截頂
円錐状内壁を備えたプラズマ発生室１が、導波管５の端
部のテーパーの内部に配置されている他は、第１図と同
様の構造を持つ。
この第７図の構成の場合も、先のブロック同様の効果
が得られている。
なお、上記実施例は、発散磁界を利用してプラズマの
引出しを行なう装置について説明したものであるが、こ
れは、グリッドを利用してプラズマの引出しを行なう加
速式の装置であってもよい。そのグリッドには、直流あ
るいは交流電界のいずれも印加できる。
また、上記実施例の構成に加えて、基板処理室２内に
も反応性ガスをガス導入系７′より導入するようにし
た、成膜装置であってもよい。
さらにまた、成膜またはエッチングいずれの場合に
も、基板ホルダー11に直流、交流電圧を印加することが
できる。
（発明の効果） 以上説明したように、プラズマ発生室の周囲に補助マ
グネットを周設する本発明によれば、プラズマ密度の均
一化が可能となり、大口径基板の表面処理を行なう場合
や、マイクロ波電力を大きくした場合等でも高速且つ充
分均一に基板の処理が可能で、装置の小型化が達成され
る。
また、プラズマ発生室の回りに主マグネットを設け、
この主マグネットの内側であってプラズマ発生室の回り
に補助マグネットを、設けるようにすることで、さらに
効率よくプラズマを均一化させることができる。
また、プラズマ室を截頂円錐状内壁を備えること、プ
ラズマ発生室の壁面の全体からマイクロ波を導入するこ
とで、均一処理を一層効果的にできる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例を示すマイクロ波プラズ
マ処理装置の概略の正面断面図。 第２図はそのＡ−Ａ断面図。 第３図は本発明の装置での面内イオン電流密度分布およ
びその平均値のグラフ。 第４図は、本発明の装置での面内イオン電流密度のグラ
フ。 第５図は、本発明の第２の実施例のマイクロ波プラズマ
処理装置のプラズマ発生室の概略断面図。 第６図a,b,cは截頂円錐状内壁を備えたブロックの各例
の断面図。 第７図は、本発明の第３の実施例のマイクロ波プラズマ
処理装置のプラズマ発生室の概略断面図。 第８図は従来の装置での面内イオン電流密度分布および
平均値のグラフ。 第９図は、従来の装置での面内イオン電流密度のグラ
フ。 １……プラズマ発生室、２……基板処理室、 ３……空芯ソレノイドコイル、８……補助マグネット、 ９……プラズマ引出し板、10……プラズマ引出し口、 11……基板、14……截頂円錐状内壁を備えたブロック。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｃ (72)発明者 藤山 英二 東京都府中市四谷５―８―１ 日電アネ ルバ株式会社内 (72)発明者 佐々木 正巳 東京都府中市四谷５―８―１ 日電アネ ルバ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−172429（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−192229（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プラズマ発生室内に処理ガスを導入し、マ
    イクロ波により発生する電場と、この電場に直交して設
    けられた磁場とによって起こる電子サイクロトロン共鳴
    （以下ECR）現象を利用して前記処理ガスをプラズマ化
    し、該プラズマ発生室とそれに隣接する基板処理室の境
    界近傍に設けたプラズマ引出し手段によって上記プラズ
    マを該基板処理室内に引出し、基板処理室内に設置され
    た基板に照射して該基板を処理するマイクロ波プラズマ
    処理装置において、上記プラズマ発生室の回りに、その
    周方向と軸方向の両方向につきそれぞれ複数個であるよ
    うな複数の補助マグネットを設置し、且つそれらマグネ
    ットの極性は、前記両方向につき極性が交互に交替する
    ように構成したことを特徴とするマイクロ波プラズマ処
    理装置。
  2. 【請求項２】上記ECRを生じさせる磁場を設定するため
    上記プラズマ発生室の回りに主マグネットが設けられ、
    上記補助マグネットは、この主マグネットの内側であっ
    てプラズマ発生室の回りに設けられていることを特徴と
    する請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  3. 【請求項３】上記プラズマ発生室の全体もしくは一部が
    載頂円錐状内壁を備えることを特徴とする請求項１又は
    ２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  4. 【請求項４】上記プラズマ発生室の壁がSiO2等の絶縁体
    からなり、該プラズマ発生室へのマイクロ波導入が、該
    壁を通して行なわれるように構成されていることを特徴
    とする請求項１又は２記載のマイクロ波プラズマ処理装
    置。
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