JP2909992B2 - マイクロ波放電反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマイクロ波放電反応装置に関し、特にドライ
エッチング装置、プラズマCVD装置、表面改質装置等に
応用するのに好適なマイクロ波放電反応装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、例えば特開昭55−141729号公報に開示されるEC
R（電子サイクロトロン）装置のように、マイクロ波領
域にある電磁波を利用した放電装置は各種タイプの装置
が提案されている。この種の放電装置では、通常用いら
れる2.45GHzのマイクロ波に対してキャビティとして作
用するように放電室を設計する必要がある。従って放電
室の大きさはマイクロ波の波長によって決定されるとい
う寸法上の制約があるので放電室を大きくすることがで
きず、そのため特に面積の大きい基板を均一性良く処理
することが困難であるという問題があった。また従来の
放電装置では導波管を用いてマイクロ波を放電室に導入
するようにしていたため装置設計上の制約が更に加わ
り、また真空封止の作用を有するマイクロ波導入窓の信
頼性も十分高いといえるものではなかった。

前記導波管に対し、一方で、多数のスリットを有する
円筒を用いてマイクロ波を放電室に導入するようにした
放電装置が提案されている（例えば、G.Lisitano et a
l,“Production of Quiescent Discharge with High El
ectron Temperature"Rev.Sic Instrum.,Vol.39（1966）
pp.295〜297）。かかる円筒は通常リジタノコイルと呼
ばれている。最近では、このリジタノコイルを、大面積
にわたって均一性の良好なプラズマを発生させる放電装
置に応用する研究も進められている（例えば、A.Yonesu
et al“Production of a Large−Diame−ter Uniform
ECR Plasma with a Lisitano Coil"Jpn.J.Appl.Phys.Vo
l.27（1988）pp.L1746〜L1749）。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、大面積にわたって均一性のある良好なプラ
ズマを発生させる放電装置にリジタノコイルを適用し、
この装置を有用なものとするためには、リジタノコイル
内の全体にわたって、ECR条件すなわちプラズマ中の電
子を共鳴が生じるように加熱してプラズマの密度と温度
を高くする条件として、2.45GHzのマイクロ波に対して8
75Gaussの磁束密度を有する磁界を発生させる必要があ
る。例えば、直径300mmの基板の表面を均一に処理する
には前記A.Yonesu et alの文献によればリジタノコイル
の内径は400mmとする必要がある。このような大きなリ
ジタノコイルの内部に前記ECR条件を満たす磁界を発生
させるには巨大な空芯コイルが必要とされ、このことが
リジタノコイルを応用した放電装置の実用化において大
きな障害となっている。

本発明の目的は、マイクロ波放電反応装置において、
放電室の真空性を高く維持し、リジタノコイルを応用し
た放電装置で発生する上記問題を解決し、簡単な構成を
有し且つ安価に作製することができ、且つ大面積の基板
に対し均一な処理を行うことのできる実用性の高いマイ
クロ波放電反応装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るマイクロ波放電反応装置は、処理ガスが
導入され且つ内部が減圧状態に保持される真空容器と、
この真空容器内で基板を導入し、固定する機構と、真空
容器内にマイクロ波を導入してこのマイクロ波と磁界と
の相互作用で処理ガスをプラズマ化させる機構により構
成される。プラズマ化させるための機構は、マイクロ波
を真空容器の内部に導入する同軸型伝送路と、供給され
たマイクロ波を放射するスリットを有する平板状電極
と、真空容器の内部であってかつ平板状電極を境にして
基板が存在する領域の反対側領域の上記平板状電極の近
傍にてスリットが形成されている箇所に対応して配設さ
れた磁界発生手段とを備え、平板状電極により真空容器
の内部に放射されるマイクロ波と磁界発生手段が発生す
る磁界との相互作用により基板の前面空間にプラズマが
生成されるように構成される。

〔作用〕

本発明によるマイクロ波放電反応装置では、放電室に
マイクロ波を放射する電極として、マイクロ波放射用ス
リット部分が多数形成された平板状電極を使用すると共
に、真空容器内であって平板状電極の近傍にて所定市関
係で設けられた永久磁石等の磁界発生手段によりECR条
件を満足する磁界を前記平板状電極の近傍に発生させ
て、マイクロ波と磁界の相互作用により大面積の基板に
対し均一処理を施すことが可能なプラズマを発生する。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す。第１
図は本発明に係るマイクロ波放電反応装置の内部構成を
示す断面図、第２図はマイクロ波放電反応装置に適用さ
れるマイクロ波放射用電極の平面図である。本発明の特
徴はマイクロ波放射用電極の構成にある。

先ず第２図を参照してマイクロ波放射用電極について
詳述する。１は金属等の導電性物質で作られた平板によ
り円形リング形状に作製されたマイクロ波放射用電極
（以下、電極という）であり、平板部に径方向のスリッ
ト部2Aと円周方向のスリット部2Bを交互に切り取ること
でスリット２が形成される。この電極１を形成する平板
の板厚はマイクロ波の表皮厚さ程度のもので十分であ
る。表皮厚下δは、 で与えられる。ここで、ωは流れる電流の角周波数、μ
_０は材料である金属の透磁率、σは同金属の導電率であ
る。上記の式に周波数2.45GHz、μ₀,σとして銅の値を
代入すれば、δは0.001mm程度となる。従って電極１を
形成する平板の厚さは、その機械的強度の許す範囲内で
薄くすることができる。なお電極１の厚みを必要以上に
厚くすることは平板から外部に広がるマイクロ波電界が
少なくなるために望ましくない。

径方向のスリット部2Aの長さａは、使用されるマイク
ロ波の波長λに対してｎλ/4又はこれに近い値とする。
ただし、ｎは１以上の整数とする。円周方向のスリット
の2Bの長さｂはλに比較して十分に小さくする必要があ
る。またスリット２の幅ｃは、実際上実験によって最適
な値を選択すべきであるが、代表的な値としては数ミリ
程度である。電極１に形成されるスリット２はマイクロ
波が供給される部分３から開始され、等間隔で同じ形状
パターンを繰り返し、リング状電極１を一周する。開始
端（又は終了端）のスリット部2Cは電極１の外周縁まで
到達するよう形成される。電極１の内径は後述される基
板ホルダの外径と同程度とし、電極１の外径は内径と前
記ａの値によって決定される。また、スリット２の他端
2Dの位置は、電極１の内径側でも外径側でも良く、図示
例では外径側に形成した例を示す。

電極１におけるスリット２の加工の仕方としては機械
的加工が一般的であるが、厚さを薄くすることができる
という観点から、石英、アルミナ等の高周波損失の小さ
い絶縁物上に蒸着等によって金属等の導電性の薄膜を付
着させて作製することができる。

次に、前記構成を有するマイクロ波放射用電極１を備
えたマイクロ波放電反応装置の構成を第１図を参照して
説明する。

10は真空容器であり、11,12は真空容器10を支持する
フランジである。真空容器10の図中上部構造は省略され
ているが、内部空間が密閉された構造を有している。真
空容器10の内部のほぼ中央部に前記電極１が水平に設置
され、電極１は石英、アルミナ等の誘電体（絶縁体）で
作られた電極保護リング13,13′でサンドウィッチ状に
支持される。14はリング状の磁石で、例えば永久磁石が
使用され、その上面Ｎ極側に前記電極１及び電極保護リ
ング13,13′を取り付けている。15はポールピースであ
り、磁石14の固定手段を兼ねている。電極１の上方位置
に配置された16は基板ホルダ、基板ホルダ16に配置され
た17は処理される基板である。リング状磁石14の内径部
空間に配設された18は可動短絡板、19はマイクロ波導入
用同軸管、19aはその外部導体、19bは内部導体である。
内部導体19bは第２図に示されるように電極１の前記マ
イクロ波供給部分３に接続される。また電極１の他方の
端部は真空容器10に接続される。

上記構成を有するマイクロ波放電反応装置の作用につ
いて説明する。この放電反応装置を動作させるために
は、真空容器10の内部を図示しない排気系により所要の
真空状態にした後、図示しないガス導入系を用いて所定
ガスを真空容器10内に導入する。次いで、ガス流量と排
気系による排気速度とを適宜に調節して所定のガス圧力
を得る。このときのガス圧力は通常10^-3Torr〜10^-6Torr
程度とすることが望ましい。このような条件の下で真空
容器10内でマイクロ波放電を発生させる。図示しないマ
イクロ波電源から、図示しないアイソレータ、パワーモ
ニタ、チューナ等の立体回路素子を通して同軸管19にマ
イクロ波を誘導する。誘導されたマイクロ波は電極１に
供給される。同軸管19の外部導体19aは真空容器10に接
続することもできるが、図中想像線で示すように真空容
器10を貫通して電極１の近傍まで延設しても良い。ま
た、真空容器10内の真空を保持するために、真空封止作
用を有する絶縁物20を同軸管19の内部に設けている。以
上の構成により、マイクロ波は同軸管19を経由して電極
１に供給され、ユニット２の放射作用によって真空容器
10の内部空間に放射される。

電極１の近傍には磁石14による磁界が形成され、この
磁界の方向は電極１の平板部に垂直である。この磁界の
強度に関し、ECR条件を満たす部分が存在する場合、そ
の部分に密度及び温度の高いプラズマ21が発生する。こ
うして発生したプラズマ21は短絡板18と基板ホルダ16と
の間の空間に広がり、その密度及び温度の分布は基板ホ
ルダ16のプラズマ21に接する面においてほぼ均一とな
る。発生したプラズマの断面形状は第１図に示す通りで
あり、特に基板ホルダ16の全面空間においては均一性が
良好で且つ低温で安定なプラズマが発生する。その理由
は、供給されたマイクロ波の電界が前面空間の箇所21a
では非常に弱いため、プラズマ21aの部分では、その周
辺部から拡散作用によって広がったイオン、電子及び中
性種によりプラズマが維持されているからである。基板
ホルダ16と短絡板18を接地電位とした場合、被処理基板
17に入力されるプラズマ中のイオンは電子温度により決
定されるシース電位により加速されて入射される。

前述したように本発明に係る放電反応装置では、発生
するプラズマ21のうち基板17の近傍のプラズマ21aが拡
散により発生するため、電子温度が低く、その結果基板
17に入射するイオンのエネルギも低いという特性を有す
る。このため従来のECR放電反応装置に比較して本装置
は被処理基板17に対する荷電粒子による照射損傷も少な
くなる。また、プラズマ21aは周辺部の高温、高密度の
プラズマからの拡散で維持されているため、低温である
にも拘らず高密度を維持することができ、従来のECR放
電反応装置に比較し同程度又はそれ以上の基板処理速度
が生じる。

なお、前記実施例では磁界発生手段として永久磁石を
用いたが、装置の構成によっては電磁石を用いることも
できる。また必要に応じて水冷式等の冷却手段を設ける
こともできる。

次に第３図と第４図により磁石発生手段である磁石の
他の実施例について説明する。この実施例においても磁
界発生手段は永久磁石を用いる例が示されている。この
実施例では、前記リング形状の磁石14を、径方向のスリ
ット2Aの数と同じ個数の小さい磁石30をポールピース５
の上に半径方向に対して隙間をあけて配置した磁気回路
50で置き換える。ただし、このときの径方向のスリット
2Aの数は偶数個である必要がある。磁石30のそれぞれ
は、その円周方向の長さがスリット２の幅とほぼ同じ長
さであり、且つ径方向の長さが径方向のスリット部2Aの
長さよりも大きくなるように形成される。ただし磁石30
は互いに接触しないように配置される。磁石30のそれぞ
れは、平面図である第３図とその部分断面図である第４
図から明らかなように、スリット２の径方向の各スリッ
ト部2Aに対応して当該スリット部に沿って電極１の下側
に、Ｎ極とＳ極の位置が交互に反対になるように配設さ
れる。各磁石30による磁界の方向は電極１の面に対し直
角の方向で且つその磁力線は径方向のスリット部2Aに交
差すると共に、隣合う磁石30の磁界の方向は互いに反対
方向となるように配設される。電極１の径方向に関する
磁石30の長さは、スリット部2Aと同程度以上にしたとき
に良好な結果が得られる。その他の構成は前記実施例と
同じであり、同一要素には同一の符号を付している。

上記のように構成された本実施例では、磁石30による
磁力線が31のように発生し、また供給されるマイクロ波
の電界はスリット部2Aによって32のように発生する。こ
のような関係に基づき本実施例では主としてスリットの
上に放電が発生し、プラズマが生成される。電極１の上
面に配設された絶縁板である電極保護リング13の上にお
いて磁石30によって発生する磁界の強度をECR条件に適
合させた時、プラズマの密度と温度が上昇し、前記実施
例で得られたものと同等の性能を有するマイクロ波放電
反応装置を実現することができる。

第５図は本発明の他の実施例を示し、この実施例では
他の磁界の発生方法を示す。磁石41は円盤状の形態を有
し、図中上面がＮ極、下面がＳ極となっており、同様な
形態を有するポールピース42と一体的に形成されてい
る。かかる構造を有する磁石41によって電極１の中心軸
に対しほぼ平行な方向を向いた一様な磁界を発生させ
る。この場合において磁石の一様性を向上させるために
補助的な磁界発生手段を併用しても良い。第５図にその
一例として空芯コイル43を用いた例を示す。また本実施
例の磁界は被処理基板17に対しても加えられるため、プ
ラズマ中の荷電粒子は適度のエネルギを有した状態にて
磁界に沿って運動し、被処理基板17に入射される。この
ため、本実施例の構成は、基板17に対し適度なエネルギ
を有した荷電粒子（特にイオン）を入射させたいプロセ
ス、例えば反応性イオンエッチング装置等に適用するの
に好適である。

第６図は電極１に関する他の実施例を示す平面図であ
り、第７図はこの電極を適用したマイクロ波放電反応装
置の要部構成を示す。本実施例による電極１′は導電性
を有する金属板を矩形に形成し、それに第６図に示され
る形態を有したスリット２′を形成したものである。ス
リット２′の各部２′A,2′Ｂ及び幅の長さa,b,cは第２
図の場合と同様に決定される。図示された例では縦方向
に10列、横方向に２列並べて配設している。この電極
１′ではスリット２′によって分離される内部部材１′
Ａと外部部材１′Ｂが形成される。

第７図に示されるマイクロ波放電反応装置では、磁界
を発生させる磁石61を基板ホルダ16の内部に組み込んで
配設している。基板17は磁石61の下面に配置される。ま
た電極１′は、基板17の下方位置に配設され、電極１′
の上面には電極保護リング13が配設される。

本実施例によるマイクロ波放電反応装置を動作させる
には、同軸管19の内部導体19bを電極１′の内部部材
１′Ａに接続する。電極１′の外部部材１′Ｂは１点以
上もしくは全周部で接地させるか、又は浮遊電位に設定
する。電極１′にマイクロ波を送給するとプラズマが発
生し、基板17の表面処理が行われる。本実施例では電極
保護リング13の近傍にECR条件を満たす磁界を設定した
時に最大の効果を得ることができる。また、被処理基板
17の近傍にECR条件を満たす磁界を設定し、高温、高密
度のプラズマを被処理基板17の近傍に発生させることも
でき、これによれば高温プラズマを必要とする特定の用
途、例えばダイヤモンド生成等に応用することができ
る。

なお、前記説明した各実施例において図中磁極のN,S
は磁界の方向を便宜的に示したものであり、磁界の方向
は反対であっても同様な効果が生じる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、マイ
クロ波放射用スリットを備えた平板状の電極を用い、こ
の電極に同軸型伝送路でマイクロ波を供給し、且つ電極
に接近した位置に磁界発生手段を設けて所要レベルの磁
界を発生させるようにしたため、放電室の真空封止を良
好に維持することができ、簡単な且つ安価な構成で、効
率良く大面積にわたってマイクロ波放電プラズマを発生
させることができ、大面積の基板を処理することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るマイクロ波放電反応装置の第１実
施例を示す要部断面図、第２図はマイク波放射用電極の
第１実施例を示す平面図、第３図は前記電極の第２実施
例を示す平面図、第４図は第３図中のIV−IV線断面図、
第５図は磁界発生装置の他の実施例を示す要部断面図、
第６図は電極の他の実施例を示す平面図、第７図は第６
図に示す電極を適用したマイクロ波放電反応装置の基板
周辺の構造を示す図である。 〔符号の説明〕 1,1′……マイクロ波放射用電極 2,2′……スリット 10……真空容器 11,12……フランジ 13,13′……電極保護リング 14,30,41,61……磁石 16……基板ホルダ 17……基板 19……同軸管 21……プラズマ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】処理ガスが導入され且つ内部が減圧状態に
   保持される真空容器と、この真空容器内で基板を支持す
   る基板機構と、前記真空容器内にマイクロ波を導入して
   このマイクロ波と磁界の相互作用で前記処理ガスをプラ
   ズマ化させるマイクロ波放電反応装置において、前記マ
   イクロ波を前記真空容器の内部に導入する同軸型伝送路
   と、供給された前記マイクロ波を放射するスリットを有
   する平板状電極と、前記真空容器の内部であってかつ前
   記平板状電極を境にして前記基板が存在する領域の反対
   側領域の前記平板状電極の近傍にて前記スリットが形成
   されている箇所に対応して配設された磁界発生手段とを
   備え、前記平板状電極により前記真空容器の内部に放射
   される前記マイクロ波と前記磁界発生手段が発生する磁
   界の相互作用により前記基板の前面空間にプラズマを生
   成することを特徴とするマイクロ波放電反応装置。