JP3039160B2

JP3039160B2 - マイクロ波導入装置

Info

Publication number: JP3039160B2
Application number: JP4268883A
Authority: JP
Inventors: 克生片山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1992-10-07
Publication date: 2000-05-08
Anticipated expiration: 2015-05-08
Also published as: JPH06120155A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エッチング，薄膜形成
を行うプラズマ装置にてプラズマを生成，維持するため
にマイクロ波を導入する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】減圧、低ガス圧力下にある真空容器内
に、マイクロ波を導入することによりガス放電を起こし
てプラズマを生成させ、該プラズマを試料基板に照射さ
せることにより、エッチング又は薄膜形成処理を行う方
法及びこれを実施する装置は、高集積半導体素子の製造
に欠かせないものとして研究開発が進められている。特
に、低ガス圧力領域で活性度の高いプラズマを生成でき
ることから、有磁場マイクロ波プラズマ装置及び電子サ
イクロトロン共鳴励起によりプラズマを発生させる装置
は有望視されている。

【０００３】図１０は、マイクロ波を用いた電子サイク
ロトロン共鳴励起を利用する、従来のエッチング装置の
模式的断面図である（特開昭57−133636号公報）。図中
31はプラズマ生成室であり、中空の円筒形に形成され、
周囲を２重構造にして冷却水の通流室31a を備え、また
上部中央には石英ガラスからなるマイクロ波導入窓31b
を備えるマイクロ波導入口31c を、導波管32が、一端を
図示しないマイクロ波発振器に接続し、他端にフランジ
32a を設けて該マイクロ波導入口31c に接続され、更に
下部壁中央には前記マイクロ波導入口31c と対向する位
置にプラズマ引出窓31d を夫々備えている。マイクロ波
導入窓31b は、マイクロ波導入口31c を塞ぐ様態で、導
波管32端部に設けられたフランジ32a と重ねた状態で止
め具32bにて共止めされている。また、プラズマ引出窓3
1d に臨ませて試料室33が配設され、更に周囲には、プ
ラズマ生成室31及びこれに接続した導波管32の一端部に
わたってこれらを囲む様態にて、これらと同心状に励磁
コイル34を配設してある。

【０００４】試料室33内には前記プラズマ引出窓31d と
対向する位置に試料台37が配設され、その上に例えばウ
エハの試料Ｓが載置され、また試料室33の下部壁には図
示しない排気装置に連なる排気口33a が開口されてい
る。31g はプラズマ生成室31に連なるガス供給系、33g
は試料室33に連なるガス供給系、31h,31i は冷却水の給
水系, 排水系である。

【０００５】このような、エッチング装置にあっては、
プラズマ生成室31, 試料台37内を所定の真空度に設定し
た後、プラズマ生成室31内にガス供給系31g を通じて、
所定のガス圧力が得られるようにガスを供給し、励磁コ
イル34にて磁界を形成しつつマイクロ波導入口31c を通
じてプラズマ生成室31内にマイクロ波を導入し、プラズ
マ生成室31を空洞共振器としてガスを共鳴励起し、プラ
ズマを発生させる。生成したプラズマは、励磁コイル34
にて形成される試料室33側に向かうに従い磁束密度が低
下する発散磁界によって、試料室33内の試料Ｓ周辺に投
射せしめられ、試料Ｓ表面をエッチングするようになっ
ている。

【０００６】ところでこのような装置にあっては、プラ
ズマ生成室31の上部壁に開口するマイクロ波導入口31c
はマイクロ波の透過を許容する石英ガラス板によるマイ
クロ波導入窓31b にて気密状態に封止されているが、マ
イクロ波導入口31c のプラズマ生成室31側には、円筒形
の空間が形成されており、マイクロ波導入口31c とプラ
ズマ生成室31の内壁面との間に段差が形成される結果、
この段差部分でマイクロ波が異常反射し、またこれに起
因してプラズマ分布の均一性が悪化するという問題があ
った。

【０００７】この対策として、以下に示す装置が本出願
人によって提案されている（特開昭63−318099号公
報）。図１１は、本出願人により提案された、図１０に
示す従来のエッチング装置のマイクロ波導入部分を示す
模式的部分断面図である。図中32は導波管であり、他端
にフランジ32a を設けて円形のマイクロ波導入口31c と
接続されている。マイクロ波導入窓48が、プラズマ生成
室31に開口するマイクロ波導入口31c 内を埋める様態
で、導波管32端部に設けられたフランジ32a と重ねた状
態で止め具32b にて共止めされている。このマイクロ波
導入窓48は、マイクロ波導入口31c の直径及び軸長方向
寸法に略等しい円板部48a の導波管32側に、これよりも
大きい矩形、又は円形のフランジ部48b を設けて構成さ
れ、円板部48aをマイクロ波導入口31c に密に嵌合せし
め、その下端面はプラズマ生成室31の内壁面と面一とな
るように位置している。他の構成は上述した図７に示す
装置と実質的に同じであり、対応する部分に同符号を付
して構成の説明を省略する。

【０００８】以上の如き装置にあっては、マイクロ波導
入口31c とプラズマ生成室31の内壁面との間に段差を形
成しないことから、マイクロ波の異常反射は低減され、
これに起因するプラズマ分布の均一性の悪化は防止され
る。

【０００９】しかしながら、このような従来装置におい
ては、マイクロ波のモードとして矩形ＴＥ₁₀モード、又
は円形ＴＥ₁₁モードが用いられており、これらのモード
の電界強度分布は中心部が強いために生成するプラズマ
密度もプラズマ生成室の中心で強い分布となる問題があ
った。そこでプラズマ生成室でのマイクロ波の分布を均
一化するため、マイクロ波の導入窓に凹レンズのような
マイクロ波の拡散手段を設け、マイクロ波の電界分布を
均一化し、プラズマの生成を均一化する装置が提案され
ている（特開平３−244123号公報）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、凹レン
ズは中心部付近では厚みの変化が少ないので、中心部で
のマイクロ波の拡散効果は小さい。これに対して上述し
たモードのマイクロ波の電界分布は中心部が最も強いこ
とから、プラズマ密度は、プラズマ生成室の中心が強い
分布となる問題があった。

【００１１】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、プラズマ生成室へ導入されるマイクロ波の電
界分布の不均一を改善し、マイクロ波を均一にプラズマ
生成室に導入し、均一な密度のプラズマを安定して効率
良く生成できるマイクロ波導入装置を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明のマ
イクロ波導入装置は、マイクロ波導波管内を伝播させ、
マイクロ波導入窓を透過させてマイクロ波をプラズマ生
成室へ導入するマイクロ波導入装置において、中心部で
凹型、その周辺部で凸型、さらに外周縁部で前記周辺部
より厚さが薄くなっている断面形状を有するようにマイ
クロ波の伝播方向と垂直な方向で厚みを変化させたマイ
クロ波導入窓を備えていることを特徴とする。

【００１３】請求項２に係る発明のマイクロ波導入装置
は、マイクロ波導波管内を伝播させ、マイクロ波導入窓
を透過させてマイクロ波をプラズマ生成室へ導入するマ
イクロ波導入装置において、マイクロ波透過面に環状の
突起部を備え、前記マイクロ波透過面の外周縁部の厚み
を前記突起部のそれより薄くしたマイクロ波導入窓を備
えていることを特徴とする。

【００１４】

【作用】請求項１に係る発明のマイクロ波導入装置で
は、マイクロ波導入窓を、マイクロ波の伝播方向に垂直
な方向で厚みを変化させており、具体的には中心部で凹
型に、その周辺部では凸型に、更に外周縁部では前記周
辺部よりも厚さを薄く形成しているので、中心部および
外周縁部でマイクロ波は拡散され、その周辺部では集束
されるかたちで働く。したがって、通常用いられる矩形
ＴＥ₁₀モード、又は円形ＴＥ₁₁モードは中心部の電界強
度が強いので、この中心部の電界強度を弱めかつ周辺部
の電界強度を強め、更に外周縁部で電界強度を弱めるこ
とによって、本発明の構成でマイクロ波の電界強度分布
を均一化しプラズマ生成室へ導入することができる。ま
た、本発明にも含まれているが、凹凸の形状を鋭角的に
形成した場合においては、さらにこの拡散・集束の効果
を強めることが可能となる。

【００１５】請求項２に係る発明のマイクロ波導入装置
では、マイクロ波導入窓には環状の突起物が設けられて
いるので、中心部で凹型にその周辺部で凸型に形成して
おり、中心部の電界強度を弱めかつ周辺部の電界強度を
強めることによって、マイクロ波の電界強度分布を均一
化しプラズマ生成室へ導入することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
き具体的に説明する。図１は、本発明を適用した実施例
であるエッチング装置の模式的断面図である。図中１は
プラズマ生成室であり、中空の円筒形に形成され、周囲
を２重構造にして冷却水の通流室１a を備えてある。ま
たその上部中央には円形のマイクロ波導入口１c が設け
られ、円筒形の導波管２が、一端を図示しないマイクロ
波発振器に接続し、他端にフランジ２a を設けて前記マ
イクロ波導入口１c に接続され、更に下部壁中央には前
記マイクロ波導入口１c と対向する位置にプラズマ引出
窓１d を夫々備えている。そして、マイクロ波導入口１
c には、マイクロ波透過物質、例えば石英ガラスで構成
した後述するマイクロ波導入窓８が、マイクロ波導入口
１c を塞ぐ様態で、フランジ２a と重ねた状態で止め具
２b にて共止めされている。

【００１７】また、プラズマ引出窓１d に臨ませて試料
室３が配設され、更に周囲にはプラズマ生成室１及びこ
れに接続した導波管２の一端部にわたってこれらを囲む
様態にて、これらと同心状に励磁コイル４を配設してあ
る。試料室３内には前記プラズマ引出窓１d と対向する
位置に試料台７が配設され、その上には例えばウエハの
試料Ｓが載置され、また試料室３の下部壁には図示しな
い排気装置に連なる排気口３a が開口されている。１g
はプラズマ生成室１に連なるガス供給系、３g は試料室
３に連なるガス供給系、１h,１i は冷却水の給水系, 排
水系である。

【００１８】図２は、図１に示すエッチング装置のマイ
クロ波導入口の拡大断面図である。マイクロ波導入窓８
は、その下端面をプラズマ生成室31の内壁面と面一とな
るように位置させて、マイクロ波導入口１ｃを埋める様
態にて設けられている。そして、マイクロ波導入窓８
は、その中心部には、マイクロ波導入窓８の厚みを薄く
した凹部８ａが形成され、そして凹部８ａの周りの、中
心部から導波管周縁までを略２分する位置に凸部８ｂが
円環状に形成されている。そして凸部８ｂの外周である
マイクロ波導入窓８の外周縁部は凸部８ｂよりも厚さが
薄くなるようにしてある。

【００１９】このような、エッチング装置にあっては、
プラズマ生成室１, 試料台７内を所定の真空度に設定し
た後、プラズマ生成室１内にガス供給系１g を通じて、
所定のガス圧力が得られるようにガスを供給し、励磁コ
イル４にて磁界を形成しつつマイクロ波導入口１c を通
じてプラズマ生成室１内に、マイクロ波導波管２中心部
でマイクロ波電界強度が強い分布のＴＥ₁₁モードのマイ
クロ波を導入し、プラズマ生成室１を空洞共振器として
ガスを共鳴励起し、プラズマを発生させる。生成したプ
ラズマは、励磁コイル４にて形成される試料室３側に向
かうに従い磁束密度が低下する発散磁界によって、試料
室３内の試料Ｓ周辺に投射せしめられ、試料Ｓ表面をエ
ッチングする。このとき、マイクロ波は、マイクロ波導
入窓８中心の凹部８a では拡散され、その周辺の凸部８
b では集束されて、プラズマ生成室内に導入され、電界
強度を均一とする。

【００２０】図３は本発明の実施例におけるマイクロ波
導入口の他の例を示す拡大断面図である。この実施例に
あっては、マイクロ波導入窓８は、その下端面をプラズ
マ生成室31の内壁面と面一となるように位置させて、マ
イクロ波導入口１c を埋める様態にて設けられている。
そして、マイクロ波導入窓８の導波管２側の表面中心部
には、図２に示すものと同様の凹部８a が形成され、凹
部８a の周りの、中心部から導波管周縁までを略２分す
る位置には、頂上部分にマイクロ波透過方向と垂直な面
を有する凸部８c が円環状に形成されている。そして前
記凸部８ｃの外周であるマイクロ波導入窓８の外周縁部
は凸部８ｃよりも厚さが薄くなるようにしてある。

【００２１】その他の部分は図１に示すエッチング装置
と実質的に同じ構造をしており、マイクロ波導入口１c
を通じてプラズマ生成室１内に、マイクロ波導波管２中
心部でマイクロ波電界強度が強い分布のＴＥ₁₁モードの
マイクロ波を導入し、プラズマを発生させる。このと
き、マイクロ波は、マイクロ波導入窓８中心の凹部８a
では拡散され、径方向に従い凸部８c では集束されてプ
ラズマ生成室内に導入され、電界強度を均一とする。

【００２２】このような本発明の実施例であるエッチン
グ装置の比較試験について説明する。なお、マイクロ波
導入窓８の直径は 120mmとし、また、従来例として図８
に示すような従来の凹型のマイクロ波導入窓を用いて、
マイクロ波導入窓の径方向位置におけるイオン飽和電流
密度の分布を比較した。試験条件はArガス圧力１ｍtorr
下におけるプラズマで評価した。

【００２３】図４は図１に示すエッチング装置及び従来
装置のイオン飽和電流密度の分布を示すグラフであり、
横軸に径方向位置（mm）を、縦軸にイオン飽和電流密度
をとって示してある。グラフ中、○はマイクロ波導入窓
８の導波管側の表面を、中央を凹状に、その周辺を凸状
に形成した本発明の装置、●はさらに垂直面８c を形成
した本発明の装置、そして△は従来装置を示している。
グラフから明らかなように、本発明装置におけるイオン
飽和電流密度の均一性が、従来よりも向上していること
がわかる。

【００２４】図５、図６は本発明の実施例におけるマイ
クロ波導入口の更に他の例を示す拡大断面図である。図
５におけるマイクロ波導入窓８は、マイクロ波導入窓８
は、断面形状でプラズマ生成室側の表面が鋸形に形成さ
れており、その中心部には、マイクロ波導入窓８の厚み
を薄くした凹部８a が形成され、そして凹部８a の周り
の、中心部からマイクロ波導入口周縁までを略２分する
位置に凸部８b が円環状に形成されている。そして凸部
８ｂの外周であるマイクロ波導入窓８の外周縁部は前記
凸部８ｂよりも厚さが薄くなるようにしてある。

【００２５】また、図６におけるマイクロ波導入窓８
は、その下端面をプラズマ生成室31の内壁面と面一とな
るように位置させて、マイクロ波導入口１c を埋める様
態にて設けられている。そして、マイクロ波導入窓８の
導波管側にマイクロ波透過物質からなる第２のマイクロ
波導入窓９を設けており、このマイクロ波透過物質９
は、断面形状で導波管側の表面が鋸形に形成されてお
り、その中心部には、マイクロ波透過物質９の厚みを薄
くした凹部８a が形成され、そして凹部８a の周りの、
中心部から導波管周縁までを略２分する位置に凸部８b
が円環状に形成されている。なお、マイクロ波導入窓８
及び第２のマイクロ波導入窓９は、一体化して形成され
ていても良い。

【００２６】このような装置は、その他の部分は図１に
示すエッチング装置と実質的に同じ構造をしており、マ
イクロ波導入口１c を通じてプラズマ生成室１内に、マ
イクロ波導波管２中心部でマイクロ波電界強度が強い分
布のＴＥ₁₁モードのマイクロ波を導入し、プラズマを発
生させる。このとき、マイクロ波はマイクロ波導入窓８
又はマイクロ波透過物質９中心部では拡散され、径方向
に従い集束されて、プラズマ生成室内に導入され、電界
強度を均一とする。

【００２７】なお、本発明に係る実施例では、円形導波
管２内からＴＥ₁₁モードのマイクロ波をマイクロ波導入
窓に透過させる場合を説明したが、これに限るものでは
なく、矩形導波管内からＴＥ₁₀モードのマイクロ波を透
過させても良い。

【００２８】次に、本発明の他の実施例を示す図面に基
づき具体的に説明する。図７は本発明を適用した他の実
施例であるエッチング装置の模式的断面図である。図中
１はプラズマ生成室であり、中空の円筒形に形成され、
周囲を２重構造にして冷却水の通流室１a を備えてあ
る。またその上部中央には円形のマイクロ波導入口１c
が設けられており、円筒形の導波管２が、一端を図示し
ないマイクロ波発振器に接続し、他端にフランジ２a を
設けて前記マイクロ波導入口１c に接続され、更に下部
壁中央には前記マイクロ波導入口１c と対向する位置に
プラズマ引出窓１d を夫々備えている。前記マイクロ波
導入口１c には、マイクロ波透過物質、例えば石英ガラ
スで構成した後述するマイクロ波導入窓10が、その下端
面をプラズマ生成室31の内壁面と面一となるように位置
させて、マイクロ波導入口１c を塞ぐ様態で、フランジ
２a と重ねた状態で止め具２b にて共止めされている。

【００２９】また、プラズマ引出窓１d に臨ませて試料
室３が配設され、更に周囲にはプラズマ生成室１及びこ
れに接続した導波管２の一端部にわたってこれらを囲む
様態にて、これらと同心状に励磁コイル４を配設してあ
る。試料室３内には前記プラズマ引出窓１d と対向する
位置に試料台７が配設され、その上には例えばウエハの
試料Ｓが載置され、また試料室３の下部壁には図示しな
い排気装置に連なる排気口３a が開口されている。１g
はプラズマ生成室１に連なるガス供給系、３g は試料室
３に連なるガス供給系、１h,１i は冷却水の給水系, 排
水系である。

【００３０】図８は、図７に示すエッチング装置のマイ
クロ波導入窓10の拡大斜視図である。マイクロ波導入窓
10は、マイクロ波導入口１ｃの直径及び軸長方向寸法に
略等しい円板部10a の導波管側に、これよりも大きい同
心の円柱形のフランジ部10bを設け、さらに導波管側に
は、フランジ部10b と同心の円環状の突起部10c を設け
てある。マイクロ波導入窓の直径は150mm ，突起部10c
の寸法は内径が50mm，外径が100mm ，高さが5mm であ
る。

【００３１】このような、エッチング装置にあっては、
プラズマ生成室１, 試料台７内を所定の真空度に設定し
た後、プラズマ生成室１内にガス供給系１g を通じて、
所定のガス圧力が得られるようにガスを供給し、励磁コ
イル４にて磁界を形成しつつマイクロ波導入口１c を通
じてプラズマ生成室１内に、マイクロ波導波管２中心部
でマイクロ波電界強度が強い分布のＴＥ₁₁モードのマイ
クロ波を導入し、プラズマ生成室１を空洞共振器として
ガスを共鳴励起し、プラズマを発生させる。生成したプ
ラズマは、励磁コイル４にて形成される試料室３側に向
かうに従い磁束密度が低下する発散磁界によって、試料
室３内の試料Ｓ周辺に投射せしめられ、試料Ｓ表面をエ
ッチングする。

【００３２】このとき、マイクロ波は、マイクロ波導入
窓10の厚みが薄い中心部では拡散され、厚みが厚い円環
状の突起部10c では集束されて、プラズマ生成室内に導
入され、電界強度を均一とする。なお、この円環状の突
起部10c の寸法は、磁場強度分布, ガス圧力等により変
化するプラズマの特性、即ちプラズマ密度，プラズマ誘
電率, プラズマ・インピーダンス等に合わせて設計され
る。

【００３３】このような本発明の実施例であるエッチン
グ装置の比較試験について説明する。なお、比較例とし
ては従来の凹型のマイクロ波導入窓を用いて、マイクロ
波導入窓の径方向位置におけるイオン飽和電流密度の分
布を比較した。試験条件はArガス圧力１ｍTorr下におけ
るプラズマで評価した。

【００３４】図９は、図７に示すエッチング装置及び従
来装置のイオン飽和電流密度の分布を示すグラフであ
り、横軸に径方向位置（mm）を、縦軸にイオン飽和電流
密度をとって示してある。グラフ中、□は本実施例の装
置、そして△は従来装置を示している。図９から明らか
なように、本発明装置におけるイオン飽和電流密度の均
一性が、従来よりも向上していることがわかる。

【００３５】なお、本発明に係る実施例では環状の突起
部をマイクロ波導入窓の導波管側に設けてあるがこれに
限るものではなく、マイクロ波導入窓のプラズマ生成室
側に設けても良い。また、マイクロ波導入窓10及び突起
部10c は一体化されていても良い。

【００３６】また、本発明に係る実施例では、円形導波
管２内からＴＥ₁₁モードのマイクロ波をマイクロ波導入
窓に透過させる場合を説明したが、これに限るものでは
なく、矩形の環状突起部を設けたマイクロ波導入窓を備
え、矩形導波管内からＴＥ₁₀モードのマイクロ波を透過
させても良い。

【００３７】また、本発明に係る上述の実施例は本発明
装置をエッチング装置として構成した場合について説明
したが、これに限るものではなく、成膜装置，スパッタ
リング装置等にも適用できる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明のプラズマ導入装
置においては、マイクロ波電界強度分布に応じて、マイ
クロ波伝播方向と垂直な方向で中心部で凹型、その周縁
部で凸型、さらに外周縁部で前記周辺部より厚さが薄く
なっている断面形状を有するよう厚みを変化させたマイ
クロ波導入窓、又はマイクロ波透過表面に環状突起部を
設けたマイクロ波導入窓を備えることにより、マイクロ
波が拡散及び収束するので、プラズマ生成室に導入され
るマイクロ波の電界強度の均一性が向上し、均一な密度
のプラズマを安定して生成できる等、本発明は優れた効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例であるエッチング装置
の模式的断面図である。

【図２】図１に示すエッチング装置のマイクロ波導入口
の拡大断面図である。

【図３】本発明の実施例におけるマイクロ波導入口の他
の例を示す拡大断面図である。

【図４】図１に示すエッチング装置及び従来装置のイオ
ン飽和電流密度の分布を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例におけるマイクロ波導入口の更
に他の例を示す拡大断面図である。

【図６】本発明の実施例におけるマイクロ波導入口の更
に他の例を示す拡大断面図である。

【図７】本発明を適用した他の実施例であるエッチング
装置の模式的断面図である。

【図８】図７に示すエッチング装置のマイクロ波導入窓
の拡大斜視図である。

【図９】図７に示すエッチング装置及び従来装置のイオ
ン飽和電流密度の分布を示すグラフである。

【図１０】従来のエッチング装置の模式的断面図であ
る。

【図１１】図１０に示す従来のエッチング装置のマイク
ロ波導入部分を示す模式的部分断面図である。

【符号の説明】

１プラズマ生成室１c マイクロ波導入口２導波管３試料室４コイル７試料台８マイクロ波導入窓８a 凹部８b,８c 凸部 10 マイクロ波導入窓 10c 突起部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波導波管内を伝播させ、マイク
ロ波導入窓を透過させてマイクロ波をプラズマ生成室へ
導入するマイクロ波導入装置において、中心部で凹型、その周辺部で凸型、さらに外周縁部で前
記周辺部より厚さが薄くなっている断面形状を有するよ
うにマイクロ波の伝播方向と垂直な方向で厚みを変化さ
せたマイクロ波導入窓を備えていることを特徴とするマ
イクロ波導入装置。
【請求項２】マイクロ波導波管内を伝播させ、マイク
ロ波導入窓を透過させてマイクロ波をプラズマ生成室へ
導入するマイクロ波導入装置において、マイクロ波透過面に環状の突起部を備え、前記マイクロ
波透過面の外周縁部の厚みを前記突起部のそれより薄く
したマイクロ波導入窓を備えていることを特徴とするマ
イクロ波導入装置。