JP3081679B2 - 電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子サイクロトロン共
鳴（ＥＣＲ）を利用したプラズマ発生装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造プロセス等において、被加
工物にイオンを照射してエッチング等の処理を行う際に
は、イオンソースとして、電子サイクロトロン共鳴（Ｅ
ＣＲ）を利用したプラズマ発生装置が用いられている。

【０００３】図３は、半導体製造プロセスにおいて、例
えばエッチングを行う際に、従来用いられていたプラズ
マ発生装置の一例を示したもので、同図において、１は
被加工物を収容するメインチャンバー、２はメインチャ
ンバーに設けられた開口部１ａに取付けられたフランジ
金具である。フランジ金具２の内側の孔部がイオン導入
孔部２ａとなっている。３は端部にフランジ部を有する
円筒導波管で、この円筒導波管３の端部のフランジ部
は、その中心軸線をイオン導入孔部２ａの中心を通る軸
線と一致させた状態でフランジ金具２に接続されてい
る。円筒導波管３の他端には矩形導波管６が接続されて
おり、マイクロ波が図示しない発振器（マグネトロン）
から矩形導波管６を通して円筒導波管３内に導入される
構造となっている。２０は円筒導波管３の内部に収納さ
れた石英ガラス製のベルジャーで、このベルジャー２０
は、その開口部をフランジ金具２側に向けた状態で、か
つ内部が気密に保持されるようにＯリング等を介してフ
ランジ金具２に取り付けられている。

【０００４】イオン導入孔部２ａ内には、イオン引出し
電極２２が配置されている。このイオン引出し電極２２
は互いに対向配置された多孔状の高圧電極２２ａと接地
電極２２ｂとから構成されていて、高圧電極２２ａを石
英ガラス製ベルジャー２０側に向けた状態で配置されて
いる。高圧電極２２ａは絶縁リング２３により接地電極
２２ｂに対して絶縁され、両電極２２ａ，２２ｂ間に正
極性の直流高電圧を印加できる構造になっている。

【０００５】フランジ金具２内を半径方向に貫通して、
ガス通路２ｂが設けられ、該ガス通路２ｂはイオン引出
し電極２２の外周部とフランジ金具２の内周部との間に
形成された環状の間隙２４内に開口している。ガス通路
２ｂにはガス供給管２５が接続され、該ガス供給管２５
とガス通路２ｂとを通してベルジャー内のプラズマ室に
試料ガスが供給される構造となっている。

【０００６】磁気コイル１５によって発生した磁界が存
在する円筒導波管３内へ、矩形導波管６からマイクロ波
が伝搬すると、ＥＣＲ条件を満足する位置、例えば2.45
（GHz)の周波数を有するマイクロ波に対して875(Gauss)
の磁束密度を満足する位置において、電子が共鳴状態に
なり、これにより試料ガスの電離が促進されて、プラズ
マ室内部でプラズマが生成される。

【０００７】この状態においてイオン引出し電極の高圧
側電極２２ａに正極性の直流電圧を印加すると、フラズ
マの電位は印加電圧よりも若干高く上昇する。更に上記
高圧側電極２２ａと、接地電位にあるイオン引出し電極
の接地電極２２ｂとの電位差によって、プラズマからイ
オンのみが両電極面に存在する孔を通過してメインチャ
ンバー１内へと引き出される。

【０００８】引き出されたイオンは両イオン引出し電極
間の電位差に相当するエネルギーを有し、被処理物に衝
突する。故に、被処理物に照射するイオンが有するエネ
ルギーを、電極への印加電圧で制御することにより、最
適な状態でのエッチングなどの処理が行われる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図３に示したプラズマ
発生装置では、ベルジャー２０内のプラズマがフランジ
金具２の内周部と引出し電極２２の外周部との間に形成
された間隙２４（図４参照）内で接地電位にあるフラン
ジ金具２に接しているため、引出し電極２２ａに高電圧
を印加して、プラズマの電位が上昇すると、プラズマと
上述のフランジ金具２との間の電位差によりイオンが加
速され、間隙２４内でイオンがステンレス鋼材のフラン
ジ金具２に衝突してフランジ金具２の構成分子を叩き出
し（スパッタし）、スパッタされた分子がベルジャー２
０の内面に付着する。そのためベルジャーの内面にステ
ンレス鋼の薄膜が形成され、この薄膜がマイクロ波の伝
搬に支障を来すという問題があった。そのため図３に示
した装置は長期間の使用に耐えることができず、比較的
短期間でベルジャーの交換等の保守を必要とするため、
維持費が高くなるという問題があった。

【００１０】本発明の目的は、フランジ金具の構成分子
がスパッタされるのを防いで長期間の使用に耐えること
ができるようにした電子サイクロトロン共鳴プラズマ発
生装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、環状のフラン
ジ金具が取付けられた開口部を有し、該フランジ金具の
内側の孔部をイオン導入孔部としたメインチャンバー
と、端部に有するフランジ部の中心軸線がイオン導入孔
部の中心軸線と一致するように配置されて、端部のフラ
ンジ部がフランジ金具に固定された円筒導波管と、開口
端部をフランジ金具側に向けた状態で円筒導波管内に配
置されたベルジャーと、互いに対向配置された高圧電極
と接地電極とからなっていて、高圧電極を円筒導波管側
に向けた状態でイオン導入孔部内に配置されたイオン引
出し電極とを備えた電子サイクロトロン共鳴プラズマ発
生装置に係わるものである。本発明においては、フラン
ジ金具の内周部と高圧電極の外周部との間の領域を、ベ
ルジャー内のプラズマ発生空間から遮るように設けられ
た、円筒導波管の径方向に拡がる環状の板部を有する終
端部材と、円筒導波管の内径に等しい内径を有してい
て、一部を終端部材の一部に当接させた状態で円筒導波
管の端部のフランジ部の内部の空間に配置された環状の
マイクロ波導入板とが設けられている。上記終端部材及
びマイクロ波導入板はフランジ金具と高圧電極と円筒導
波管とに対して直流的に絶縁された状態でフランジ金具
に対して固定されている。またベルジャーは、その端部
が終端部材に支持され、マイクロ波導入板と円筒導波管
のフランジ部との間にチョークが構成されている。

【００１２】

【作用】上記のように構成すると、円筒導波管の端部の
フランジ部とマイクロ波導入板との間はチョークにより
仮想短絡状態にある。そのため円筒導波管内を伝搬した
マイクロ波は外部に漏れることなくマイクロ波導入板の
内周面を経て終端部材に伝わり、該終端部材の環状の板
部により終端される。従って、円筒導波管と終端部材と
により空洞共振器が構成されるように、該円筒導波管の
長さ及び終端部材の軸線方向寸法を設定しておくことに
より、円筒導波管内でマイクロ波を共振状態にしてベル
ジャー内の電界を高めることができる。また上記のよう
に、円筒導波管の端部のフランジとマイクロ波導入板と
の間にチョークを構成すると、マイクロ波は外部に漏れ
ること無く、マイクロは導入板へと伝搬するため、エネ
ルギーの利用効率を高めることができ、安全性を高める
ことができる。マイクロ波導入板及び終端部材はフラン
ジ金具及び円筒導波管に対して絶縁されているため、イ
オン引出し電極に高電圧を印加すると、マイクロ波導入
板及び終端部材の電位はプラズマの電位と共に印加した
電圧と同程度まで上昇する。終端部材の環状の板部は、
フランジ金具の内周部と高圧電極の外周部との間の領域
をベルジャー内のプラズマ発生空間から遮るように設け
られているため、プラズマがフランジ金具の内周部に接
することはない。従ってフランジ金具の構成分子がスパ
ッタされることがないため、ベルジャーの内面にフラン
ジ金具の構成分子の薄膜が形成されることがない。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の実施例を示したもので、同図
において１０１はエッチング等の処理を行うために被処
理物を収納するメインチャンバーである。メインチャン
バー１０１は一面に開口部１０１ａを有し、該開口部の
周辺に、例えばステンレス鋼からなる環状のフランジ金
具１０２が気密に接続されている。メインチャンバー１
０１の他の面にはメインチャンバー室内を真空排気する
ための開口部１０１ｂが設けられている。

【００１４】フランジ金具１０２には、円筒導波管１０
３が接続されている。円筒導波管１０３は一端にフラン
ジ部１０３ａを有し、フランジ部１０３ａの外周部には
周壁部１０３ｂが設けられている。円筒導波管１０３
は、その中心軸がフランジ金具１０２の内側に形成され
たイオン導入孔部１０２ａの中心軸と一致するように配
置されていて、フランジ部１０３ａの外周部の周壁部１
０３ｂがフランジ金具１０２に当接され、周壁部１０３
ｂを貫通して設けられた複数の取付け孔にそれぞれ挿入
されたボルト１０４がフランジ金具１０２に設けられた
ネジ孔にねじ込まれている。ボルト１０４により円筒導
波管１０３がフランジ金具１０２に対して固定されてい
る。

【００１５】円筒導波管１０３の他端には、矩形あるい
は円筒形導波管１０４の一端が気密に接続され、導波管
１０４の他端は図示しないマイクロ波電源の発振部に接
続されている。

【００１６】円筒導波管１０３内には、石英ガラスから
なるベルジャー１０５が配置されている。ベルジャー１
０５はその開口端部外周に鍔部１０５ａを有し、鍔部１
０５ａをメインチャンバー１０１側に向けた状態でイオ
ン導入孔部１０２ａと同心的に配置されている。

【００１７】フランジ金具１０２の内側に形成されたイ
オン導入孔部１０２ａ内には、イオン引出し電極１０６
が配置されている。このイオン引出し電極１０６は、フ
ランジ部１０７a1を有する環状の枠体１０７ａに多孔状
の電極部１０７ｂを取り付けた接地電極１０７と、環状
の枠体１０８ａにグリッド状の電極部１０８ｂを取り付
けた高圧電極１０８とからなり、接地電極１０７は、そ
の枠体のフランジ部１０７a1をフランジ金具１０２の内
面に接合することによりフランジ金具１０２に固定され
ている。高圧電極１０８の枠体１０８ａと接地電極１０
７のフランジ部１０７a1とが絶縁リング１０９を介して
結合され、電極部１０７ｂ及び１０８ｂがわずかな間隙
を介して対向配置されている。

【００１８】本発明においては、円筒導波管１０３の端
部のフランジ部１０３ａとフランジ金具１０２との間
に、終端部材１１０とマイクロ波導入板１１１とからな
る終端部組立体１１２が設けられ、該終端部組立体１１
２と円筒導波管１０３とにより空洞共振器が構成されて
いる。

【００１９】更に図２を参照して詳細に説明すると、終
端部材１１０は、円筒導波管１０３の径方向に伸びてい
てフランジ金具１０２の内周部と高圧電極１０８の外周
部との間の間隙１１３をベルジャー１０５内のプラズマ
発生空間から遮るように設けられた環状の板部１１０ａ
と、該板部１１０ａの外周側に一体に設けられた環状の
厚肉部１１０ｂとからなり、厚肉部１１０ｂの板部１１
０ａ側の部分には更に環状の突出部１１０b1が形成され
ている。この終端部材１１０は、環状の板部１１０ａの
外周寄りの部分をベルジャーの鍔部１０５ａに当接させ
た状態で配置されている。

【００２０】マイクロ波導入板１１１は、内径が円筒導
波管１０３の内径に等しい環状の金属板からなってい
て、その終端部材側の面には、終端部材１１０の突出部
１１０b1と同心的に伸びる環状の突出部１１１ａが設け
られている。マイクロ波導入板１１１は、その突出部１
１１ａを終端部材１１０の厚肉部の突出部１１０b1に当
接させた状態で配置され、ネジ１１４により終端部材１
１０に締結されている。マイクロ波導入板１１１の突出
部１１１ａよりも内周寄りの部分と終端部材１１０の環
状の板部１１０ａとの間にベルジャー１０５の鍔部１０
５ａがＯリング１２８で気密を保持した状態で挟持され
ている。

【００２１】終端部材１１０及びマイクロ波導入板１１
１のそれぞれの環状の突出部１１０b1及び１１１ａの外
周側に形成された凹部内で終端部材１１０及びマイクロ
波導入板に添わせて、例えばテフロン（商品名）からな
る環状の絶縁部材１１７が配設され、終端部材１１０の
外周部をこの絶縁部材１１７の上から押えるように環状
の押え板１１８が配置されている。終端部材１１０とフ
ランジ金具１０２との間にはＯリング１１９ａ，１１９
ｂと、例えばテフロンからなる絶縁リング１２０とが挿
入され、押え板１１８がボルト１２１によりフランジ金
具１０２に締結されて、終端部組立体１１２がフランジ
金具１０２に対して固定されている。終端部材１１０及
びマイクロ波導入板１１１は、絶縁リング１２０及び絶
縁部材１１７によりフランジ金具１０２及び円筒導波管
１０３に対して絶縁されている。マイクロ波導入板１１
１は、円筒導波管の端部のフランジ部１０３ａに所定の
間隙を介して対向配置されており、フランジ部１０３ａ
内には環状の空隙１２２が形成されている。そしてマイ
クロ波導入板１１１とフランジ部１０３ａとの間の間隙
の内周側の開口部からフランジ部１０３ａ内の空隙１２
２の端部までの距離が管内波長λg の１／２に等しく設
定されて、マイクロ波導入板１１１とフランジ部１０３
ａとの間にチョークが構成されている。

【００２２】円筒導波管１０３を同心的に囲むように磁
気コイル１２５が配置され、該磁気コイルには直流磁界
が与えられている。また高圧電極１０８と接地間に直流
高電圧を印加できる構造となっている。

【００２３】フランジ金具１０２内には、径方向に伸び
ていてフランジ金具の内周部と高圧電極１０８の外周部
との間に形成された環状の間隙１１３内に開口するガス
通路１２６が形成され、このガス通路１２６にはガス供
給管１２７が接続されている。

【００２４】上記のプラズマ発生装置において、エッチ
ング等の処理を行う際には、メインチャンバー１０１内
及びベルジャー１０５内が所定の真空状態に保たれる。
導波管１０４は円筒導波管１０３に直接結合されている
ため、導波管１０４内を伝搬したマイクロ波は、外部に
漏れることなく円筒導波管１０３内へと伝搬する。円筒
導波管のフランジ部１０３ａとマイクロ波導入板１１１
との間にはチョークが構成されているため、図２のＡ点
とＢ点との間は仮想短絡状態にある。そのため円筒導波
管１０３内に入ったマイクロ波は外部に漏れることなく
マイクロ波導入板１１１に伝わり、終端部材１１０の環
状の板部１１０ａで短絡される。従ってマイクロ波は円
筒導波管内で共振し、円筒導波管内の電界が高くなる。
この電界のエネルギーと磁気コイル１２５により与えら
れる磁界とによりベルジャー内の電子が共鳴状態にさ
れ、この電子が走行する過程でガスがイオン化されてプ
ラズマが生成される。

【００２５】イオン引出し電極１０６の高圧電極側に正
極性の直流高電圧が印加されると、プラズマの電位が印
加電圧以上に上昇し、このとき終端部材１１０の電位も
印加電圧と同程度まで上昇する。本発明においては、フ
ランジ金具１０２の内周部に形成された間隙１１３が、
プラズマと同電位にある終端部材の環状の板部１１０ａ
により、ベルジャ１０５内のプラズマ室から遮蔽されて
いるため、プラズマ中のイオンはフランジ金具１０２に
実質的に接することなく、イオン引出し電極１０６によ
り加速されてメインチャンバ１０１内に引き出される。

【００２６】フランジ金具１０２にイオンが衝突するこ
とがないため、フランジ金具の構成分子がスパッタされ
ることがない。従ってベルジャー１０５の内面に従来生
起していたステンレス鋼の薄膜が形成されることがな
く、長期間に亘って安定にイオンを発生させることがで
きる。

【００２７】上記の実施例では、終端部材１１０の外周
部に絶縁部材１１７を配設しているが、押え板１１８を
絶縁材料により形成した場合には、絶縁部材１１７を省
略できる。

【００２８】またフランジ金具１０２には、ステンレス
鋼が多用されているが、このフランジ金具をアルミニウ
ム合金材により形成すれば軽量化を図ることができる。

【００２９】更にベルジャー１０５の開口端部をロー接
や、接着等により終端部材１１０に支持することができ
る。もちろん、ベルジャー１０５の開口端部側に鍔部を
設けた方が好ましいが、この鍔部を省略することもでき
る。

【００３０】上記の実施例において、イオン導入孔部１
０２ａ内のイオン引出し電極１０６を筒状の接地電極で
置き換え、終端部材１１０に高電圧を印加すると、電子
サイクロトロン共鳴スパッタ装置のイオンソースとして
使用することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、円筒導
波管の端部のフランジ部とメインチャンバに取付けられ
るフランジ金具との間に、両者に対して絶縁された終端
部材とマイクロ波導入板とを配置して、終端部材の環状
の板部により、フランジ金具の内周部と高圧電極の外周
部との間の領域をベルジャー内のプラズマ発生空間から
遮るようにしたので、プラズマがフランジ金具の内周部
に接するのを阻止してフランジ金具の構成分子がスパッ
タされるのを防ぐことができる。従って、ベルジャーの
内面にフランジ金具の構成分子の金属薄膜が形成される
ことがないので、長期間に亘って使用に耐えるプラズマ
発生装置を得ることができ、ランニングコストの低減を
図ることができる。

【００３２】また本発明においては、円筒導波管の端部
のフランジ部とマイクロ波導入板との間にチョークを構
成したので、円筒導波管内を伝搬したマイクロ波を外部
に漏出させることなく、終端部材に伝達させて共振させ
ることができ、エネルギーの利用効率を高めることがで
きる。更にマイクロ波の漏洩がないので、人体に対する
安全性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示した断面図である。

【図２】図１の要部を拡大して示した断面図である。

【図３】従来の装置の構成を示した断面図である。

【図４】図４の要部を拡大して示した断面図である。

【符号の説明】

１０１…メインチャンバー、１０２…フランジ金具、１
０３…円筒導波管、１０３ａ…フランジ部、１０４…矩
形導波管、１０５…ベルジャー、１０６…イオン引出し
電極、１０７…接地電極、１０８…高圧電極、１１０…
終端部材、１１０ａ…環状の板部、１１１…マイクロ波
導入板、１１７…絶縁部材、１２０…絶縁リング、１１
８…押え板。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 C23C 4/00 C23C 16/50 H01L 21/3065

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環状のフランジ金具が取付けられた開口
   部を有し、該フランジ金具の内側の孔部をイオン導入孔
   部としたメインチャンバーと、 端部に有するフランジ部の中心軸線が前記イオン導入孔
   部の中心軸線と一致するように配置されて、該フランジ
   部が前記フランジ金具に固定された円筒導波管と、 開口端部を前記フランジ金具側に向けた状態で前記円筒
   導波管内に配置されたベルジャーと、 互いに対向配置された高圧電極と接地電極とからなって
   いて、高圧電極を円筒導波管側に向けた状態で前記イオ
   ン導入孔部内に配置されたイオン引出し電極とを備えた
   電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生装置において、 前記フランジ金具の内周部と高圧電極の外周部との間の
   領域を、前記ベルジャー内のプラズマ発生空間から遮る
   ように設けられた、前記円筒導波管の径方向に拡がる環
   状の板部を有する終端部材と、 前記円筒導波管の内径に等しい内径を有していて一部を
   前記終端部材の一部に当接させた状態で円筒導波管の端
   部のフランジ部の内部の空間に配置された環状のマイク
   ロ波導入板とを具備し、 前記終端部材及びマイクロ波導入板は前記フランジ金具
   と高圧電極と円筒導波管とに対して直流的に絶縁された
   状態で前記フランジ金具に対して固定され、 前記ベルジャーはその端部が前記終端部材に支持され、 前記マイクロ波導入板と前記円筒導波管のフランジ部と
   の間にチョークが構成されていることを特徴とする電子
   サイクロトロン共鳴プラズマ発生装置。