JP3136386B2 - 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、プラズマ，イオン，ラ
ジカルの発生源として使用されるプラズマ生成装置に適
用されるプラズマ処理装置に係わり、特に薄膜形成，エ
ッチング，クリーニングなどの加工処理を行うプラズマ
処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に高品質な薄膜の形成や極微細，高
精度のエッチングを実現するために電子サイクロトロン
共鳴プラズマ（ＥＣＲプラズマ）が利用されている。こ
のＥＣＲプラズマは、 低ガス圧（１０^-2〜１０^-3Ｐａ）での放電が可能であ
る。 無電極放電のため、反応性ガスも使用が可能である。 適当なイオンエネルギー（１０〜３０ｅＶ）での使用
が可能である。 高密度のプラズマ生成が可能である。 などの優れた特徴を有している。

【０００３】しかしながら、薄膜形成を行う場合、マイ
クロ波導入窓がプラズマに直接接触しているため、試料
上に形成される膜と同様の膜がマイクロ波導入窓上に形
成される。このため、導電性膜を試料上に形成する場
合、マイクロ波導入窓にも導電性の膜が付着し、マイク
ロ波がマイクロ波導入窓を透過し難くなり、ＥＣＲプラ
ズマが不安定になったり、またはＥＣＲプラズマそのも
のが発生しなくなる。

【０００４】このような問題を解決するために提案され
たＥＣＲプラズマ処理装置を図６に示す。図６におい
て、１は試料室、２は試料、３は試料台、４は通気孔、
５は排気路、６はプラズマ生成室、７はプラズマ引き出
し開口、８はガス導入系、９は環状管、１０はガス導入
系、１１は冷却管、１２は冷却水導入系、１３はマイク
ロ波源、１４は整合器、１５，１６は矩形導波管、１７
はマイクロ波源１３からのマイクロ波を２つに分岐する
Ｅ面Ｙ分岐の矩形の分岐導波管である。

【０００５】また、１８，１９は内部でマイクロ波の進
行方向が外部磁界に垂直でマイクロ波電界が外部磁界に
平行になるように配置された矩形導波管であり、この矩
形導波管１８，１９の一端に真空を維持するための石英
製のマイクロ波導入窓２０，２１が設けられ、他端は連
結用管２２と接続されている。２３は連結用管２２によ
って矩形導波管１８，１９に連通されたマイクロ波導入
孔、２４はプラズマ生成室６の周囲に設置した磁気コイ
ルである。

【０００６】このような構成において、マイクロ波源１
３から発振したマイクロ波は、矩形導波管１５，整合器
１４および矩形導波管１６を通って分岐回路１７まで伝
播する。分岐回路１７で２つに分けられたマイクロ波
は、矩形導波管により等しい距離を進んだ後、マイクロ
波導入窓２０，２１を透過し、真空導波管１８，１９の
接続部に到達する。接続部では、マイクロ波電界は逆位
相となり、打ち消し合い、マイクロ波磁界は同位相とな
り、強め合う。

【０００７】この磁界によりマイクロ波が励起されてプ
ラズマ生成室６内に放射される。磁気コイル２４によ
り、プラズマ生成室６内にＥＣＲ条件を満足する磁場
（例えばマイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚのとき、８
７５ガウス：以下ＥＣＲ磁場という）を形成するととも
に、真空導波管１８，１９内では、ＥＣＲ磁場より十分
高い磁場を発生させ、同時にプラズマ生成室６内から試
料室１内に向かって磁場強度が適度な勾配で弱くなる発
散磁界を形成する。

【０００８】これによってプラズマ生成室６の内部でＥ
ＣＲプラズマを生成でき、この生成したプラズマは発散
磁界によりプラズマ流として試料２に照射され、薄膜が
形成される。本構成では、プラズマが直接マイクロ波導
入窓２０，２１と接触することなく、形成されるため、
マイクロ波導入窓２０，２１上への薄膜の付着を大きく
減少させることができ、安定にプラズマを生成できる。
また、真空導波管１８，１９内の磁場強度をＥＣＲ磁場
より高くすることで、マイクロ波の遮断現象やそこでの
マイクロ波のプラズマによる減衰を抑えてプラズマ生成
室６へマイクロ波を高磁界側から導入できる。このた
め、プラズマ生成室６内で高密度のプラズマを安定に生
成することができる。

【０００９】しかしながら、前述したプラズマ処理装置
では、真空導波管１８，１９からマイクロ波がプラズマ
生成室６へ全てが伝播されるわけではなく、ある割合で
真空導波管１８から真空導波管１９へ、または真空導波
管１９から真空導波管１８へ通り過ぎるマイクロ波が存
在する。この通り過ぎたマイクロ波は再度分岐回路１７
へ到達し、そこで、また、マイクロ波源１３へ向かうマ
イクロ波と、真空導波管１８，１９へ向かうマイクロ波
とに分かれる。このようにして分岐回路１７から真空導
波管１８および真空導波管１９を結ぶループ状の導波管
回路の中では、無数のマイクロ波が重ね合わされ、定在
波が生じる。ただし、マイクロ波導入孔２３上では、位
相が１８０度異なるマイクロ波が重ね合わされるため、
マイクロ波電界の節となる。

【００１０】図７は、前述したループ状の導波管回路に
位相測定器を取り付け、位相を測定した例を説明する図
である。図中、横軸はマイクロ波導入孔２３の中心、す
なわち図６の点Ｐからの距離を示している。この測定で
は、マイクロ波パワーが３００Ｗ，Ａｒガスが流量２０
ｓｃｃｍの放電条件の場合に磁気コイル２４に流れる電
流を変化させた場合である。図７において、コイル電流
が２２Ａ以上では、真空導波管１８，１９内も全てＥＣ
Ｒ条件の磁束密度８７５ガウスより高い条件となり、プ
ラズマ生成室６内でＥＣＲプラズマが生成される。この
場合、位相は一定で５６０ｍｍ付近が常に節となる。

【００１１】また、マイクロ波導波管の寸法は、９６×
２７ｍｍであり、管内波長λｇは１５．９ｍｍであるか
ら、マイクロ波導入孔２３の中心の点Ｐから３．５λｇ
の位置に電界の節があることが分かる。したがって、こ
の結果から、マイクロ波導入孔２３の直上の中央の位置
点Ｐも電界の節となることが分かる。また、図７におい
て、コイル電流が１６Ａ，１７Ａでは位相がずれている
が、これは真空導波管１８，１９内でＥＣＲ条件の磁場
強度となり、そこでＥＣＲによる極めて強いプラズマが
生成され、その位置でマイクロ波が反射されるためであ
る。

【００１２】このように構成されたループ状の導波管回
路には、マイクロ波導入孔２３の中央の位置で電界の節
となるような定在波が生じ、マイクロ波導入孔２３の位
置から磁界励起によりマイクロ波がプラズマ生成室６側
に放出される。このため、プラズマ生成室６側に放出さ
れるマイクロ波のパワーは、定在波の持つエネルギーに
比例する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構成では、ループ状の導波管内部の定在波のエネルギー
を十分に高くできず、したがって、プラズマ生成室６側
に放出されるマイクロ波の出力を高くすることができな
かった。このため、高いマイクロ波パワーを投入しても
マイクロ波の反射が大きくなり、密度の高いプラズマを
生成することが困難であった。

【００１４】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、マ
イクロ波導入窓への導電性の膜の付着を防止させるとと
もにマイクロ波の反射を減少させ、高密度のプラズマを
安定して生成できるプラズマ処理装置を提供することに
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、分岐回路で分けられたマイクロ波が
伝播する第２，第３の矩形導波管に、各々マイクロ波導
入窓を介して接続する第１，第２の真空導波管は、この
内部でのマイクロ波の進行方向が前記外部磁界と垂直と
なるように配置され、分岐回路から第１，第２の真空導
波管を結ぶループ状の導波管回路での、分岐回路の中央
の点からマイクロ波導入孔の直上の第１，第２の真空導
波管の中央の点までの実効距離をｄとして、２ｄがマイ
クロ波管内波長のｌ／２の整数倍になるように設定する
ものである。

【００１６】

【作用】本発明においては、定在波の位相が揃い、ルー
プ状の導波管内に有効にマイクロ波エネルギーが蓄積さ
れる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は、本発明によるプラズマ処理装置の一
実施例による構成を説明する断面図であり、前述した図
６と同一部分には同一符号を付しその説明は省略する。
図１において、１３は２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発
振するマイクロ波源、１４はマイクロ波のマッチングを
とるスリースタブナーの整合器、１５は導波管、１６は
導波管、１７はマイクロ波源１３からのマイクロ波を２
つに分岐する矩形の分岐導波管でありマイクロ波回路で
はＥ面Ｙ分岐と称される分岐回路である。この分岐回路
１７は、本実施例ではθ＝１２０度の角度で分岐してい
る。勿論、他の角度で分岐しても良い（例えばθ＝９０
度，θ＝１５０度など）。

【００１８】また、図１において、１８，１９は内部で
マイクロ波の進行方向が外部磁界に垂直でマイクロ波電
界が外部磁界に平行になるように配置された真空導波管
であり、一端に真空を維持するための石英製のマイクロ
波導入窓２０，２１が設けられ、他端は連結用管２２と
接続されている。２３は連結用管２２によって真空導波
管１８，１９に連通されたマイクロ波導入孔である。

【００１９】また、２４はプラズマ生成室６の周りに設
置された磁気コイルであり、この磁気コイル２４は上下
に分割され、分割された磁気コイル２４間に真空導波管
１８，１９が設置されている。また、磁気コイル２４の
間に真空導波管１８，１９を通すことにより、マイクロ
波導入窓２０，２１をプラズマから離れた位置に配置す
ることができ、導電性膜付着を軽減できる。

【００２０】このような構成において、分岐回路１７か
ら真空導波管１８と真空導波管１９とを結ぶループ状の
導波管回路２５が形成される。この真空導波管１８，１
９の断面寸法は９６×２７ｍｍであり、２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波に対して管内波長λｇは１５．９ｃｍとな
る。

【００２１】図２は、前述したループ状の導波管回路２
５を説明する模式図である。図２（ａ）において、分岐
回路１７の中央の点をＱとし、マイクロ波導入孔２３の
直上の真空導波管１８，１９の中央の点をＰとし、点Ｑ
から点Ｐまでの実効距離をｄとすると、ループの長さは
２ｄとなる。ここで、実効距離は、以下のようにして決
定する。すなわち、導波管が真っ直ぐな部分では中心軸
上の距離を実効距離とし、また、ＥコーナーもしくはＨ
コーナーのように導波管が曲がっている場合には、図３
に示すように内側のコーナーの頂点（点Ａ）を中心に導
波管の幅αの１／２の半径の円弧の長さを実効距離（一
点破線で示す）とする。

【００２２】また、図２（ａ）において、点Ｐに到達す
るマイクロ波電界の位相は、真空導波管１８側から真空
導波管１９側からとでは位相が１８０度異なっており、
点Ｐでの定在波の電界強度は常に零であるため、図２
（ｂ）に示すように点Ｐを両側の反射端とする直方体の
導波管とみなすことができる。したがってループ状の導
波管回路２５の長さ２ｄを管内波長の２分の１の整数倍
とすれば、共振器構成とすることができる。このような
構成により、ループ状の導波管回路２５内に高いエネル
ギーを持つ定在波を形成できる。本実施例では、ループ
の長さ２ｄを２４６ｃｍ、すなわち１５．５λｇとして
いる。

【００２３】このように構成されたプラズマ処理装置に
おいて、マイクロ波源１３から発振したマイクロ波は、
矩形導波管１５，整合器１４および矩形導波管１６を通
って分岐回路１７まで伝播する。この分岐回路１７に到
達したマイクロ波は２つに分けられ、分けられたマイク
ロ波は、矩形導波管により等しい距離を進んだ後、マイ
クロ波導入窓２０，２１を透過し、真空導波管１８，１
９の接続部の点Ｐに到達する。このＰ点では、真空導波
管１８からのマイクロ波と、真空導波管１９からのマイ
クロ波との電界の位相が１８０度異なっているため、打
ち消し合い、点Ｐでは、マイクロ波電界の強度は極めて
弱くなる。一方、磁界は点Ｐで同位相となるため、強い
磁界が存在し、この磁界によりマイクロ波が励起されて
連結用管２２内に放射され、さらにマイクロ波導入孔２
３を介してプラズマ生成室６内に放射される。

【００２４】さらにある割合で真空導波管１８から真空
導波管１９へ、または真空導波管１９から真空導波管１
８へ通り過ぎたマイクロ波は、再度分岐回路１７へ到達
し、そこで、またマイクロ波源１３へ向かうマイクロ波
と、真空導波管１８，１９へ向かうマイクロ波とに分か
れる。このようにして分岐回路１７から真空導波管１８
と真空導波管１９とを結ぶループ状の導波管回路２５の
中では、無数のマイクロ波が重ね合わされ、定在波が生
じる。本構成では、ループ状の導波管回路２５の実効的
長さを管内波長の２分の１の整数倍にしているため、共
振器構成とみなすことができ、高いエネルギーの定在波
を形成できる。プラズマ生成室６内に放射されるマイク
ロ波は、定在波のエネルギーに比例するため、高い出力
を放射することができる。

【００２５】また、磁気コイル２４は、プラズマ生成室
６内にＥＣＲ磁場を形成するとともに、真空導波管１
８，１９では、ＥＣＲ磁場より十分高い磁場を生成させ
る。これによってプラズマ生成室６の内部でＥＣＲプラ
ズマを生成できる。このようにして生成したプラズマ
は、発散磁界によりプラズマ流として試料２に照射さ
れ、薄膜が形成される。本構成では、プラズマが直接マ
イクロ波導入窓２０，２１と接触することなく、形成さ
れるため、マイクロ波導入窓２０，２１上への薄膜の付
着を減少させることができ、安定にプラズマを生成でき
る。

【００２６】図４は、ループ状の導波管回路２５の実効
的な長さ２ｄを変化させた場合のイオン電流密度のパワ
ー依存性を示したものである。図４において、実効的な
長さ２ｄが１５．６λｇ，１５．７λｇの場合、マイク
ロ波パワーに対してイオン電流密度は飽和または減少す
る。これに対して実効的な長さ２ｄが１５．５λｇ、す
なわち管内波長の２分の１の整数倍の場合、マイクロ波
パワーの増加に対してイオン電流密度の増加し、高い値
が得られる。

【００２７】図５は、ループ状の導波管回路２５の実効
的な長さ２ｄを変化させた場合のマイクロ波の反射特性
を示したものである。図５において、実効的な長さ２ｄ
が１５．６λｇ，１５．７λｇでは、反射パワーが入射
パワーの増加に対して単調に増加するのに対して１５．
５λｇの場合、高パワーまでほとんど０となり、有効に
マイクロ波パワーがプラズマ生成に使われていることが
分かる。

【００２８】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
定在波の位相が揃い、ループ状の導波管内に有効にマイ
クロ波エネルギーが蓄積されるため、マイクロ波の反射
が減少するとともに、高パワーのマイクロ波がプラズマ
生成室内に伝播し、高密度のプラズマが生成できるとい
う極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるプラズマ処理装置の一実施例に
よる構成を示す断面図である。

【図２】 本発明によるプラズマ処理装置のループ状導
波管回路を説明する模式図である。

【図３】 導波管のＥコーナーの実効距離の算出方法を
説明する斜視図である。

【図４】 本発明によるプラズマ処理装置のイオン電流
密度のパワー依存性を示す図である。

【図５】 本発明によるプラズマ処理装置のマイクロ波
の反射特性を示す図である。

【図６】 従来のプラズマ処理装置の構成を示す断面図
である。

【図７】 プラズマ処理装置のループ状導波管回路内の
マイクロ波の定在波の測定結果を示す図である。

【符号の説明】

１…試料室、２…試料、３…試料台、４…通気孔、５…
排気路、６…プラズマ生成室、７…プラズマ引き出し開
口、８…ガス導入系、９…環状管、１０…ガス導入系、
１１…冷却管、１２…冷却水導入系、１３…マイクロ波
源、１４…整合器、１５…導波管、１６…導波管、１７
…分岐回路、１８…真空導波管、１９…真空導波管、２
０…マイクロ波導入窓、２１…マイクロ波導入窓、２２
…連結管、２３…マイクロ波導入窓、２４…磁気コイ
ル、２５…ループ状導波管回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｃ 21/31 21/302 Ｂ (72)発明者 松尾 誠太郎 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−36465（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−36466（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−275601（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−263185（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−302693（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−50995（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 C23C 16/50 C23F 4/00 H01L 21/3065

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波源で発振したマイクロ波が、
   第１の矩形導波管を通って分岐回路まで伝播してこの分
   岐回路で２つに分けられ、２つに分けられたマイクロ波
   は、各々第２，第３の矩形導波管により等しい距離を進
   んだ後、一端にマイクロ波導入窓が設けられ他端は連結
   用管と接続された第１，第２の真空導波管の前記マイク
   ロ波導入窓を通過して前記第１，第２の真空導波管の接
   続部に到達し、前記第１，第２の真空導波管に連通され
   たマイクロ波導入孔を有するプラズマ生成室に外部磁界
   を印加した状態で供給され、このプラズマ生成室内の原
   料ガスを電子サイクロトロン共鳴によりプラズマ化する
   プラズマ処理装置において、前記第１，第２の真空導波管は、この内部でのマイクロ
   波の進行方向が前記外部磁界と垂直となるように配置さ
   れ、 前記分岐回路から前記第１，第２の真空導波管を結ぶル
   ープ状の導波管回路での、前記分岐回路の中央の点から
   前記マイクロ波導入孔の直上の前記第１，第２の真空導
   波管の中央の点までの実効距離をｄとして、２ｄ がマイ
   クロ波管内波長のｌ／２の整数倍になるように設定され
   たことを特徴とするプラズマ処理装置。