JP2697464B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波プラズマ処理
装置、より詳細には主としてＣＶＤ（Chemical Vapour
Deposition）装置、エッチング装置、アッシング装置等
として用いられるマイクロ波プラズマ処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】低温プラズマを発生させるための励起手
段として、マイクロ波を用いる場合とＲＦを用いる場合
とがある。マイクロ波を用いた場合、ＲＦを用いた場合
に比べてより低温で高密度のプラズマが得られ、電極に
よる汚染もなく、装置の構成及びその操作が簡単である
等の利点がある。

【０００３】従来より用いられているマイクロ波プラズ
マ処理装置にあって、処理面積がきわめて大きく、しか
も整合等の操作の容易なマイクロ波プラズマ処理装置と
して、特開昭６２−５６００号公報、特開昭６２−９９
４８１号公報において誘電体線路を利用する方式のもの
が開示されている。この誘電体線路を利用する方式のマ
イクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波発振器から発
振されるマイクロ波を前記誘電体線路に導入し、該誘電
体線路の誘電体層の作用によってプラズマ発生に必要な
電界が形成されることを利用した装置である。

【０００４】従来のこの種マイクロ波プラズマ処理装置
の概略断面を図４に示す。図中３１は中空直方体形状の
反応器を示しており、この反応器３１はステンレス等の
金属により形成され、その周囲壁は二重構造となってお
り、その内部には冷却水通路４０が形成され、冷却水通
路４０に流れる冷却水は冷却水導入口４０ａより供給さ
れ、冷却水排出口４０ｂより排出されるようになってい
る。冷却水通路４０の内側には反応室３３が形成されて
おり、また反応器３１の上部は石英ガラス、パイレック
スガラス等のマイクロ波透過性を有して誘電損失の小さ
な耐熱性の誘電体板を用いて形成されたマイクロ波導入
窓３５により気密状態に封止されている。反応室３３内
にはマイクロ波導入窓３５と対向する箇所に、試料Ｓを
載置するための試料台３２が配設されている。反応器３
１の下部壁つまり反応室３３の下方には図示しない排気
装置に接続される排気口３９が形成されており、反応器
３１の一側壁には反応室３３内に所要の反応ガスを供給
するためのガス供給管３８が接続されている。

【０００５】一方、反応器３１の上方には誘電体線路３
４が配設されており、誘電体線路３４の上部はアルミニ
ウム等の金属板３４ｂで形成され、また誘電体線路３４
の終端は金属製の反射板３４ｃで封止され、金属板３４
ｂの下面に誘電体層３４ａが貼付されている。この誘電
体層３４ａは誘電損失の小さいフッ素樹脂、ポリエチレ
ンあるいはポリスチレン等を用いて形成されている。誘
電体線路３４には導波管３６が接続されており、導波管
３６にはさらにマイクロ波の反射電力を調整するための
チューナー４２を介してマイクロ波発振器３７が連結さ
れており、マイクロ波発振器３７からのマイクロ波がチ
ューナー４２を介して誘電体線路３４に導入されるよう
になっている。

【０００６】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用いて、例えば試料台３２上に載置された試
料Ｓ表面にエッチング処理を施す場合は、まず排気口３
９から排気し、所要の真空度に設定した後反応室３３内
に、ガス供給管３８から反応ガスを供給する。これと同
時に冷却水通路４０に冷却水導入口４０ａから冷却水を
供給し、冷却水排出口４０ｂより排出させる。ついで、
誘電体線路３４内にマイクロ波発振器３７よりチューナ
ー４２及び導波管３６を介してマイクロ波を導入する。
すると誘電体線路３４下方に電界が形成され、形成され
た電界がマイクロ波導入窓３５を通過して反応室３３内
に供給されてプラズマを発生させ、発生したプラズマは
試料Ｓに至ると、試料Ｓ表面をエッチングする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の誘電
体線路３４を利用するマイクロ波プラズマ処理装置おい
ては、誘電体線路３４の反射板３４ｃが金属製であるこ
とから、誘電体線路３４上のマイクロ波が反射板３４ｃ
部を節とする定在波となっている。

【０００８】図５（ａ）、（ｂ）は横軸に誘電体線路３
４の長さ方向に対応した位置をとり、縦軸に電界分布あ
るいはプラズマ密度分布をとったグラフである。このと
き誘電体線路３４の中心位置は反応室３３内に載置され
た試料台３２の中心位置を示している。図５（ａ）に示
したように、誘電体線路３４における電界分布は終端が
金属製の反射板３４ｃであるために、終端が節となる定
在波の分布となる。またこの腹と腹との距離つまり周期
は、誘電体層３４ａの形状とマイクロ波の周波数により
決まり、その腹の位置は反射板３４ｃの位置により決ま
る。

【０００９】また図５（ｂ）に示したように、プラズマ
密度の分布は電界分布を反映している。これは電界強度
の強い所では電子がより加速され、エネルギーを得て電
離を促進するためである。またこのプラズマ密度の分布
が電界分布を反映する傾向は、粒子間の衝突が少なくな
る低圧力領域においてより顕著になる。

【００１０】従って従来のマイクロ波プラズマ処理装置
においては、上記したように誘電体線路３４上に電界分
布の不均一が存在し、この不均一がプラズマ密度の分布
の不均一性を生じさせる。さらにはこの不均一性がマイ
クロ波プラズマ処理装置を半導体の製造工程に用いた際
の加工の不均一性となって現われる。最近では基板の大
口径化及び高集積化に伴い、加工の均一性が強く要求さ
れており、上記プラズマ密度分布の不均一性が課題とな
ってきている。

【００１１】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであって、発生するプラズマ密度の分布が均一で、大
口径の基板であっても均一に加工することができるマイ
クロ波プラズマ処理装置を提供することを目的としてい
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、マイク
ロ波を伝送する導波管と、該導波管に接続された誘電体
線路と、該誘電体線路に対向配置されるマイクロ波導入
窓を有する反応器と、それぞれが異なる周波数のマイク
ロ波を発振する複数の発振器とを備えていることを特徴
としている。

【００１３】

【作用】上記した構成において、周波数の異なる２つの
マイクロ波を発振させたときの電界分布及びプラズマ密
度の分布を図２（ａ）、（ｂ）に示した。周波数の高い
マイクロ波を点線で示し、周波数の低いマイクロ波を実
線で示してあり、周波数の高いマイクロ波の方が周波数
の低いマイクロ波より定在波の波長が短くなっている。
このため、２つの定在波を重ね合わせたとき、一方の定
在波の凹部に他方の定在波の凸部が重なる箇所が生じ
る。このように２つの異なる周波数のマイクロ波を導入
することにより、反応室中央部付近において電界分布及
びプラズマ密度分布の均一性が向上する。

【００１４】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置
では、該誘電体線路に対向配置されるマイクロ波導入窓
を有する反応器と、異なる周波数のマイクロ波を発振す
る複数の発振器を備えているので、異なる周波数のマイ
クロ波では前記誘電体線路上に生じる定在波の波長が異
なることを利用することができ、複数の周波数のマイク
ロ波を前記誘電体線路に導入し、前記複数の周波数のマ
イクロ波を重ねあわせることにより、前記誘電体線路上
に生じる電界分布の均一性が向上し、プラズマ密度分布
の均一性を向上させることが可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理
装置の実施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例
に係るマイクロ波プラズマ処理装置の実施例を概略的に
示した断面図である。図中１１は中空直方体形状の反応
器を示しており、この反応器１１はステンレス等の金属
により形成され、その周囲壁は二重構造となっており、
その内部には冷却水通路２０が形成され、冷却水は冷却
水導入口２０ａより供給され、冷却水排出口２０ｂより
排出されるようになっている。冷却水通路２０の内側に
は反応室１３が形成されており、また反応器１１上部は
石英ガラス、パイレックスガラス等のマイクロ波透過性
を有して誘電損失の小さな耐熱性の誘電体板を用いて形
成されたマイクロ波導入窓１５により気密状態に封止さ
れている。反応室１３にはマイクロ波導入窓１５と対向
する箇所に、試料Ｓを載置するための試料台１２が配設
されている。反応室１３の下部には図示しない排気装置
に接続される排気口１９が形成されており、反応器１１
の一側壁には反応室１３内に所要の反応ガスを供給する
ためのガス供給管１８が接続され、またガス供給管１８
の上方には反応室１３内のイオン電流を測定するための
ラングミューアプローグ２１が挿入されている。

【００１６】一方、反応器１１の上方には誘電体線路１
４が配設されており、誘電体線路１４の上部はＡｌ等の
金属板１４ｂで形成され、また誘電体線路１４の終端は
金属製の反射板１４ｃで封止され、金属板１４ｂの下面
に誘電体層１４ａが貼付されている。この誘電体層１４
ａは誘電損失の小さいフッ素樹脂（誘電率２．０、厚み
２０mm）を用いて形成されている。誘電体線路１４には
導波管１６が接続されており、この導波管１６は途中で
二又に分かれており、それぞれチューナー２２ａ、２２
ｂを介してマイクロ波発振器１７ａ、１７ｂに連結され
ている。そしてマイクロ波発振器１７ａ、１７ｂからの
マイクロ波はそれぞれチューナー２２ａ、２２ｂ及び導
波管１６を介して誘電体線路１４に導入されるようにな
っている。

【００１７】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用いて、例えば試料台１２上に載置された試
料Ｓ表面にエッチング処理を施す場合は、まず排気口１
９から排気し、所要の真空度に設定した後反応室１３内
に、ガス供給管１８から反応ガスを供給する。これと同
時に冷却水通路２０に冷却水導入口２０ａより冷却水を
供給し、冷却水排出口２０ｂより排出させる。ついで、
誘電体線路１４内にマイクロ波発振器１７ａ、１７ｂよ
りチューナー２２ａ、２２ｂ及び導波管１６を介してマ
イクロ波を導入する。すると誘電体線路１４下方に電界
が形成され、形成された電界がマイクロ波導入窓１５を
通過して反応室１３内に供給されてプラズマを発生さ
せ、発生したプラズマは試料Ｓに至ると、試料Ｓ表面を
エッチングする。

【００１８】図１に示した装置におけるプラズマ密度の
分布の均一性を確かめた。マイクロ波発振器としては２
つの周波数、２．４５ＧＨｚと２．６５ＧＨｚのマイク
ロ波を発振する２つのマイクロ波発振器１７ａ、１７ｂ
を使用し、これらマイクロ波発振器１７ａ、１７ｂから
の発振された異なる周波数のマイクロ波を１つの導波管
１６内に導入し、チューナー２２ａ、２２ｂにより反射
電力を調節した。図１に示したようにラングミューアプ
ローブ２１（先端の電極部分：タングステン円柱棒１mm
φ×４mm）を反応室１３内に挿入して、反応室１３内に
おけるイオン電流分布によりプラズマ密度の均一性を評
価した。このイオン電流値は、ラングミューアプローブ
２１と反応室１３壁との間に−５０Ｖの電圧を図示して
いない定電圧電源より印加し、ラングミューアプローブ
２１に流れ込む電流量を測定することにより求めた。プ
ラズマの発生条件はO₂ガス流量２００ｓｃｃｍ、圧力２
０ｍＴｏｒｒとし、プラズマ発生状態の比較を行なうた
め、実施例として周波数２．４５ＧＨｚと２．６５ＧＨ
ｚのマイクロ波を同時に印加し、各マイクロ波パワーを
３００Ｗとした。また比較例として周波数２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波のみを印加し、マイクロ波パワーは同様
に３００Ｗとした。

【００１９】図３に示したように、比較例として周波数
２．４５ＧＨｚのマイクロ波のみを印加した場合、定在
波における電界の分布状態の影響がイオン電流に見られ
るのに対し、実施例として２．４５ＧＨｚと２．６５Ｇ
Ｈｚの異なる周波数のマイクロ波を同時に印加した場
合、イオン電流の分布に凹凸がなくなり、試料台１２近
傍での定在波の電界の均一性が増していることが分か
る。

【００２０】以上説明したように、本実施例に係るマイ
クロ波プラズマ処理装置にあっては、異なる周波数のマ
イクロ波を複数同時に用いることができ、単一周波数の
マイクロ波における電界分布の凹凸をなくすことができ
る。これによって電界分布の均一性を向上させることが
でき、その結果プラズマ密度の分布の均一性を向上させ
ることができる。従って、エッチング装置、アッシング
装置及びＣＶＤ装置等に要求される加工の高均一性を達
成することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るマイク
ロ波プラズマ処理装置にあっては、マイクロ波を伝送す
る導波管と、該導波管に接続された誘電体線路と、該誘
電体線路に対向配置されるマイクロ波導入窓を有する反
応器と、異なる周波数のマイクロ波を発振する複数の発
振器とを備えているので、異なるそれぞれが周波数のマ
イクロ波のでは前記誘電体線路上に生じる定在波の波長
が異なることを利用することができ、複数の周波数のマ
イクロ波を前記誘電体線路に導入し、前記複数の周波数
のマイクロ波を重ねあわせることにより、前記誘電体線
路上に生じる電界分布の均一性を向上させることがで
き、プラズマ密度分布の均一性を向上させることができ
る。

【００２２】従って、エッチング装置、アッシング装置
及びＣＶＤ装置等に要求される加工の高均一性を達成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の実
施例を示す概略断面図である。

【図２】（ａ）は２つの異なる周波数のマイクロ波を用
いたときの電界分布と位置との関係を示したグラフであ
り、（ｂ）は２つの異なる周波数のマイクロ波を用いた
ときのプラズマ密度の分布と位置との関係を示したグラ
フである。

【図３】実施例に係るマイクロ波プラズマ処理装置を用
いて、異なる２つの周波数のマイクロ波を同時に印加し
たときに発生するイオン電流の分布と、単一周波数のマ
イクロ波を印加したときに発生するイオン電流の分布と
の比較を示すグラフである。

【図４】従来のマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略
断面図である。

【図５】（ａ）は従来のマイクロ波プラズマ処理装置を
用いたときの電界分布と位置との関係を示したグラフで
あり、（ｂ）は従来のマイクロ波プラズマ処理装置を用
いたときのプラズマ密度の分布と位置との関係を示した
グラフである。

【符号の説明】

１１ 反応器 １４ 誘電体線路 １５ マイクロ波導入窓 １６ 導波管 １７ａ、１７ｂ マイクロ波発振器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波を伝送する導波管と、該導波
   管に接続された誘電体線路と、該誘電体線路に対向配置
   されるマイクロ波導入窓を有する反応器と、それぞれが
   異なる波数のマイクロ波を発振する複数の発振器とを備
   えていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
   置。