JP2967769B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＳＩなどの電子
デバイス製造プロセスに用いられるシリコン基板等のエ
ッチング、薄膜形成（ＣＶＤ）等に用いられるプラズマ
処理装置の性能改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子デバイスの製造プロセスに於て、マ
イクロ波を用いたプラズマ処理方式は高いプラズマ密度
が得られ且つイオンのエネルギーを任意に制御できるの
で、アスペクト比の高い微細な集積回路を加工する手段
として広く用いられている。しかし、近年は被処理物で
ある基板が大型化し、例えば直径８インチ程度の基板を
処理する場合、従来使用されているプラズマ処理装置で
は、発生するプラズマ密度が被処理物の周辺部において
中央部と比較して低下し、処理が不均一になる点が問題
である。

【０００３】旧来用いられている装置、例えば特開平３
−１９７６８５号公報に開示されている装置は、プラズ
マ生成室とエッチング等の加工を行うプラズマ処理室と
が別空間となっている。即ち、マイクロ波が導波管を介
して伝播され、マイクロ波導入窓からプラズマ生成室に
導入され、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によるプ
ラズマを発生させ、プラズマを発散磁場を用いてプラズ
マ処理室に導き被処理物に照射している。この型式の装
置にあっては、プラズマ密度の均一化対策としてプラズ
マ取出し窓に相当する部位にプラズマ流制御板を配置し
て被処理物に到達するプラズマの流れを均一に制御する
技術が提案されている。

【０００４】しかしながら、導入窓から入射するマイク
ロ波のエネルギーで発生するプラズマが均一な密度を持
つ照射面積の広さは、導入窓の大きさにより制約され
る。ただし、導入窓の大きさは導入するマイクロ波の波
長で決定されるものであり、導入窓のプラズマ放出効
率、エネルギー伝達効率を保持したまま窓のサイズを拡
張するのは困難である。

【０００５】プラズマが均一な密度を持つ広さを拡大す
るニーズに対処するため、現在はプラズマ処理室と同一
空間内で高周波を被処理物に印加しつつマイクロ波を照
射してプラズマを発生させている。例えば特開平６−３
４２７７１号公報には、プラズマ室内に設けられる第１
電極と、該電極に対向して設けられ被処理物を載置する
第２電極と、上記第１電極に取り付けられマイクロ波を
導入する平板型誘電体と、上記第２電極に接続される高
周波電源とを備えたプラズマ処理装置が開示されてい
る。このような装置の一構成例を示す模式的断面図であ
る図３に沿って、従来のプラズマ処理装置の動作を説明
する。プラズマ室５の上側室外に真空窓９と平行に配置
された誘電体板３に、マイクロ波発振器１で発生したマ
イクロ波を導波管２を介して誘電体板の平行方向から誘
電体板内を反射しながら伝播するように入射させると、
誘電体界面から表面波が生成する。表面波は界面全体か
ら一様に放出される。

【０００６】プラズマ室を真空に排気し、エッチングガ
ス等のプロセスガスをガス供給手段８を通して供給した
ところに、図４に示すマイクロ波分散板４のスリット状
の表面波放出開口１４を通してこの表面波を入射させる
と、ＥＣＲによりエネルギーの伝授が行われてプラズマ
室５内にプラズマが生成する。このプラズマによってプ
ロセスガスが活性化されてイオンとなり、下部電極に印
加された高周波電圧により生成する電界によってイオン
が加速されてシリコン基板等の被処理物の表面を照射
し、微細加工処理が行われる。

【０００７】図４に平面図を示した既知のマイクロ波分
散板４の開口率は、誘電体板３内におけるマイクロ波の
電界強度にプラズマの発生が依存する事象を利用したも
のである。マイクロ波導入方向と平行に開けた狭いスリ
ット状の複数のマイクロ波放出口１４の開口密度は、電
界強度の強い入射軸付近では小さく、入射軸に対して横
方向の端部に向かって大きい。これにより入射軸付近と
横端部での電界強度差の影響を低減して、比較的均一性
の高いプラズマを得る。

【０００８】上記のような型式の装置では、誘電体板を
伝播するマイクロ波はプラズマとの相互作用により電界
強度分布を生じ、マイクロ波はこの電界強度分布に基づ
き表面波としてプラズマ室内に放出される。この電界強
度分布は、導波管からマイクロ波が入射する入射軸を想
定すると、この入射軸に沿って入口部分から奥へ向かう
方向（ｘ−ｘ方向とする。）において定在波を生じると
考えられていた。そこで、理論上はｘ−ｘ方向の電界強
度に対応してマイクロ波分散板の表面波放出開口を配置
すれば、均一なプラズマが得られると考えられていた。

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のプラズマ装置では、実際にｘ−ｘ方向の均一
性が高いプラズマは得られないという事実が判った。即
ち、プラズマが発生しない状態ではこの理論は確かに当
てはまるが、プラズマを発生させた状態ではマイクロ波
分散板から放出される表面波エネルギーはプラズマに吸
収されるため、マイクロ波が入射する入口近傍から奥へ
向かって急速に電界強度が減少する形の分布を生じ、従
来の考え方に基づく表面波放出開口の配置ではプラズマ
室に入射される表面波はもはや均一でないということが
明らかになった。つまり、従来技術では、上記のように
プラズマ室に入射される表面波が不均一であるため、発
生するプラズマは高い均一性が得られない。本発明の目
的は、より均一なプラズマ分布が確保されるプラズマ処
理装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理装
置では、プラズマ発生時にプラズマ室に入射される表面
波を均一に調整することによって、均一なプラズマ分布
を確保する。具体的には、導波管を介してマイクロ波が
入射される誘電体板を備えるプラズマ処理装置におい
て、プラズマ発生時に前記マイクロ波の入射方向に沿っ
て前記誘電体板から指数関数的強度で発生する表面波を
均一な表面波に調整してプラズマ室に導入する手段を設
けて均一なプラズマ分布を確保する。前記表面波を均一
に調整する手段として、前記誘電体板と前記プラズマ室
との間に被処理物を遮蔽するように該誘電体板に平行に
マイクロ波分散板を設け、マイクロ波の入射方向に沿っ
て開口率が指数関数的に変化するように調整した複数の
表面波放出開口を前記マイクロ波分散板に配置してプラ
ズマ室に入射する表面波を均一に調整する。

【００１０】本発明において、開口率が指数関数的に変
化するように調整した複数の表面波放出開口を持つマイ
クロ波分散板４の作用は、次の様に説明される。一般に
マイクロ波が誘電体の中を進行するに伴い、マイクロ波
は誘電体表面から放出される表面波としてプラズマ中に
入射することによってエネルギーを損失する。即ち、マ
イクロ波のエネルギーは、誘電体表面における反射ごと
に損失される。このエネルギー損失はプラズマ密度に依
存すると共に、入射表面波のエネルギーに比例する。分
散板が存在しない場合、プラズマ密度に依存する項を無
視して比例係数をｔ、入射エネルギーをＥとすると、１
回の反射でｔＥエネルギーを損失して、第２回反射時に
生成する表面波のエネルギーは（１−ｔ）Ｅとなる。ｎ
＋１回反射時の表面波のエネルギーは（１−ｔ）n Ｅと
なり、反射回数ごとに指数関数的に減衰する。

【００１１】反射回数はマイクロ波の進行方向への距離
の関数として変換可能である。進行方向の距離をｘ、定
数項をａとすると、損失エネルギーはａ（１−ｔ）x ＊
Ｅとなり、更に定数項ｂ、ｃで変換すると、ｂ＊ｅｘｐ
（−ｃ＊ｘ）Ｅとなる。損失したエネルギーはプラズマ
生成に使われるので、表面波エネルギーの分布はプラズ
マ密度に反映され、プラズマ密度も進行方向に対して指
数関数的に減衰し、不均一なプラズマ分布となる。そこ
で、均一なプラズマ分布生成のためには分散板に表面波
放出開口を設けると共に、開口率をｅｘｐ（ｃ＊ｘ）に
従うように、即ち指数関数的に増加させれば、表面波の
減衰と開口率の増加が相殺されて均一なプラズマが生成
される。

【００１２】第２の本発明では、開口率が指数関数的に
変化する如く調整された複数の表面波放出開口１４を持
つマイクロ波分散板４を平板型誘電体３のプラズマ室側
のプラズマ室内に配置する。これにより、調整後の表面
波が装置の他の部材に影響されること無くプロセスガス
に入射するので、プラズマ室内に入射する表面波エネル
ギーの分布をより直接的に制御して均一化することが出
来る。

【００１３】第３の本発明では、開口率が指数関数的に
変化する如く調整された複数の表面波放出開口１４を持
つマイクロ波分散板４を平板型誘電体３のプラズマ室側
の室外に配置する。これにより、プロセスガスが分散板
やその開口の縁等に接触してデポジット等の汚染物が発
生する可能性を除きつつ、プラズマ室内に入射する表面
波エネルギーの分布を一様に均一化することが出来る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を示す図１に
沿って、本発明のプラズマ処理装置の動作を説明する。
図１は第１発明のプラズマ装置の一構成例の模式的断面
図であり、誘電体板、分散板、被処理物台の相互位置関
係を示す。マイクロ波発振器１で発生したマイクロ波を
導波管２を介して誘電体板３に長手方向から、平板内を
全反射しながら導波するように入射させると、マイクロ
波が誘電体板に伝播され、この平板界面から表面波が放
出される。

【００１５】誘電体平板から放出された表面波は分散板
４により遮蔽されるが、分散板の表面波放出口１４を通
り抜けた表面波のみがプラズマ室へ入射され、プラズマ
を生成させる。しかし、プラズマが表面波のエネルギー
を吸収するため、吸収される表面波エネルギー量は平板
へマイクロ波が入射する入口近傍で強く、この入口から
奥の方向へ遠ざかるに従って指数関数的に減衰する。た
だし、マイクロ波は誘電体内を入射軸に沿って直進し、
導波管のサイズと誘電体板のサイズの比が適度であれば
波紋状に広がることは無い。そこで、図２の平面図に示
すように、開口率が指数関数的に増加する開口分布を有
する分散板をマイクロ波入射軸に沿って開口率が増加す
るように配備すると、表面波エネルギーの減衰を開口率
分布により相殺して均一な表面波エネルギーがプラズマ
室へ入射されるので、均一なプラズマが生成する。例え
ば図２（ａ）の分散板では、図の右から左へ向かう方向
がマイクロ波入射軸の方向となる。

【００１６】上記実施形態によれば、この態様は図３に
示す従来のプラズマ処理装置において、図４に示す既知
のマイクロ波放出口１４を持つ分散板に替えて、図２に
例示した開口率が指数関数的に変化する複数の表面波放
出開口１４を有する分散板を用いることに相当し、従来
のプラズマ処理装置の構成を大きく変更すること無く本
発明を実施することが出来る。

【００１７】本発明の実施に際しては、表面波エネルギ
ーの損失はプロセスガス圧力、マイクロ波パワー、ガス
の種類等のプラズマパラメーターによってエネルギー損
失係数が異なることに因り変わるため、目的のプラズマ
加工プロセスのプロセス条件に見合った開口率変化、分
散板配置を選ぶ必要がある。

【００１８】本発明を更に詳細に説明するため実施例を
示すが、あらゆる意味において本発明はここに示された
事例に限定されるものではない。 ［実施例１］ マイクロ波分散板の製作例 図２（ａ）はマイクロ波分散板４の平面図であり、分散
板に開口１４として多数のスリットを開け、表面波が分
散板に開けたスリットを通過してプラズマ室へ入射出来
るように構成したものである。スリットの配置は、スリ
ット幅を固定した多数のスリットの間隔をマイクロ波の
入射軸方向に沿って指数関数的に減少させるように並べ
た事例であり、開口率は指数関数的に増大するように調
整されている。スリットの形状が一定であり、簡便に製
作できる利点がある。

【００１９】図２（ｂ）は、上記と逆にスリットの配置
間隔を固定し、各スリットの開口幅を入射軸の奥の方向
に向かって増大させることによって、開口率を調整した
一実施形態である。上記に比べ表面波の遮蔽程度が少な
いから、分散板を通過する表面波の量的レベルが大きく
なる利点がある。従って、マイクロ波パワーが低い装置
に用いるのに適している。

【００２０】図２（ｃ）は、スリットの代わりに正方形
の開口部を設けて、その大きさを変化させることにより
開口率を変化させたものである。開口の形状は正方形に
限らず、円形や正多角形等の任意の形状のパターンであ
っても良い。またパターンは同一なものである必要はな
く、複数パターンを含む開口であっても同様な効果が得
られる。スリットの場合に比べ、更に精密に表面波入射
の均一性を制御できる利点がある。

【００２１】図２（ｄ）は、スリットの代わりに等しい
大きさの正方形、円形、楕円形、正六角形等、任意の幾
何学的図形のパターン（周辺が閉じた図形）の小開口を
多数設けて、その配置数量を変化させることにより開口
率を調整させたものである。また、大きな正方形と小さ
な円形の組み合わせのように、異なる大きさの２以上の
パターンを配置しても良い。この実施形態は、プラズマ
室の全面に亙り表面波の均一性をより一層精密に制御で
きる利点がある。 プラズマ処理装置の組立例 図１に本発明のプラズマ処理装置の組立の一実施形態を
示した。図１はプラズマ処理装置の断面図であり、導波
管２に誘電体板３を接続し、誘電体板と真空窓９の間に
上記の開口率調整を施したマイクロ波分散板４を配置
し、プラズマ室５の全面に亙って誘電体板３からプラズ
マ中に入射する表面波エネルギーの分布を制御してプラ
ズマ均一性を向上させた。なお、図示して無いがプラズ
マ室５の外壁全域に多数の磁石を配し、また下部電極７
と対向するように誘電体板３の外側に上部電極を設けて
ある。上記誘電体板３の素材にはマイクロ波透過性の良
いテフロン板を用いた。また上記分散板４には、マイク
ロ波を遮断できる金属等の素材を用い、配置する位置は
真空窓９内側のプラズマ室５内壁部分でも良く、また
は、好ましくは真空窓９外側でプラズマ室５の室外に配
置する。

【００２２】上記実施形態のプラズマ処理装置に図２に
例示した実施形態の開口率調整を施したマイクロ波分散
板を配備することにより、高精度なエッチングやＣＶＤ
を行うのに必要とされるプラズマ均一性、即ち直径８イ
ンチ範囲で±２％以内程度の均一性を実現できた。

【００２３】上記実施形態はｘ−ｘ方向のプラズマ均一
性改良に関するものであるが、別の実施形態としてｙ−
ｙ方向のプラズマ均一性の改良についても検討した。そ
の結果、従来やや狭かった導波管２の幅が誘電体板３の
幅に近づくほど均一性が高まることが判った。特に、導
波管２の幅が誘電体板３の幅に等しいか又は導波管２の
幅の方が広い場合が好ましく、この場合ｙ−ｙ方向のプ
ラズマ分布が実用上殆ど問題にならない。

【発明の効果】本発明では、プラズマ装置におけるマイ
クロ波入射入口から奥の方向にかけてのプラズマ分布の
指数関数的減少傾向に対する対策として、プラズマに入
射する表面波の放出口の分布を上記傾向と相殺させるよ
うに、開口率を指数関数的に増加させる。この構成によ
って、被処理基板上に照射するプラズマが均一化され、
プラズマ処理時に半導体デバイスに与えるダメージが低
減され、デバイス製造の歩留が向上する。また、従来よ
り広い面積のプラズマ室の全域に亙り均一なプラズマ照
射が可能になり、集積度の高いＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等の
加工に適した装置を提供できる。本発明では、現在使用
しているプラズマ装置の分散板を新たな開口率分布を有
する分散板に取替えるのみで実施することが出来、従来
装置の構成を実質的に大きく変えること無く、均一なプ
ラズマを照射できる面積を実質的に拡張することが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を模式
的に例示する断面図である。

【図２】本発明のマイクロ波分散板の種々の実施形態の
ものを模式的に例示する平面図である。

【図３】従来の表面波プラズマ処理装置を模式的に例示
する断面図である。

【図４】従来のプラズマ処理装置に用いられる既知のマ
イクロ波分散板を模式的に示す平面図である。

【符号の説明】

１ マイクロ波発振器 ２ 導波管 ３ 誘電体板 ４ マイクロ波分散板 ５ プラズマ室 ６ 被処理基板 ７ 下部電極 ８ プロセスガス供給手段 ９ 真空窓 １０ 高周波電源 １１ 真空ポンプ １２ 反応容器 １４ 表面波放出開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波透過性を有しプラズマ室の上
   側室外に配置され且つ導波管を介して伝送されるマイク
   ロ波が入射する誘電体板と、プラズマ室内下方に設けら
   れ且つ被処理物を載置する下部電極とを備えたプラズマ
   装置において、前記誘電体板より放出される表面波から
   被処理物を遮蔽するように該誘電体板に平行に配置され
   且つマイクロ波の入射方向に沿って開口率が指数関数的
   に変化するように調整した複数の表面波放出開口を有す
   るマイクロ波分散板を設けることで、入射マイクロ波の
   強度によらずプラズマ密度を均一化することを特徴とす
   るプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記マイクロ波分散板を前記プラズマ室
   内に配置してなる請求１記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記マイクロ波分散板を前記プラズマ室
   外に配置してなる請求項１記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 前記複数の表面波放出開口は開口幅が一
   定である請求項１、２または３記載のプラズマ処理装
   置。
5. 【請求項５】 前記複数の表面波放出開口は開口相互の
   間隔が一定である請求項１、２または３記載のプラズマ
   処理装置。
6. 【請求項６】 前記複数の表面波放出開口は複数列に配
   置された複数のサイズからなる円形または正多角形であ
   る請求項１、２、３、４または５記載のプラズマ処理装
   置。
7. 【請求項７】 前記複数の表面波放出開口は等しいサイ
   ズの幾何学的図形である請求項１、２、３、４または５
   記載のプラズマ処理装置。