JP3266076B2

JP3266076B2 - マイクロ波プラズマ処理装置及びその実施に使用する対向電極

Info

Publication number: JP3266076B2
Application number: JP30226197A
Authority: JP
Inventors: 英高南部; 幸信村尾
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 2002-03-18
Anticipated expiration: 2017-11-04
Also published as: JPH11145116A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子デバイス等の製
造プロセスに用いられ、半導体素子基板等のエッチング
又は薄膜形成等の処理を行うマイクロ波プラズマ処理装
置及びその実施に使用する対向電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波プラズマ処理装置において
は、低ガス圧力に保持した真空反応容器内にマイクロ波
を導入することにより、真空反応容器内にガス放電を起
こさせてプラズマを生成する。そして、生成したプラズ
マを、試料に照射することによりエッチング又は薄膜形
成等の処理を行う。このプラズマ処理装置は、高集積半
導体素子及び液晶の製造に欠かせないものとしてその研
究開発が進められている。特に、プラズマの生成と生成
したプラズマ中のイオンの加速とを夫々独立に制御でき
るようなプラズマ処理装置が、ドライエッチング技術及
び薄膜形成における埋め込み技術において要望されるよ
うになってきている。

【０００３】図３は従来のプラズマ処理装置を示す模式
図であり、プラズマの生成とプラズマ中のイオンの加速
とを独立に制御することができるプラズマエッチング装
置を模式的に示す断面図である（T．Akimoto et a
l．．J．J．A．P．，38(1994)，H．Mabuchi et al.,
Proc．16th Symp．Dry Process，P235(1994)）。中
空直方体形状の反応器１はアルミニウム、ステンレス等
の金属により成形されている。反応器１の上部はマイク
ロ波の透過性を有する耐熱性板２により気密状態に封止
されている。この耐熱性板２は、誘電損失が小さく、か
つ耐熱性を有する材料、例えば石英ガラス又はＡｌ₂Ｏ₃
等を使用して成形されている。

【０００４】反応器１の上方には耐熱性板２と所定の間
隔をおいて対向し、耐熱性板２を覆う大きさの誘電体線
路３が配設されている。この誘電体線路３は誘電損失が
小さいフッ素樹脂等の誘電体材料で形成された誘電体層
３ａと誘電体層３ａの上面に配設されたＡｌ等の金属板
４とで構成されている。誘電体線路３にはマイクロ波発
振機５より導波管６を介してマイクロ波が導入されるよ
うになっており、誘電体線路３の終端は金属板４で封止
されている。

【０００５】反応器１の内部には処理対象物である試料
Ｓを保持するための試料保持部７を有する試料台８が設
けられており、試料保持部７には試料Ｓの表面にバイア
ス電圧を発生させるための高周波電源９が接続されてい
る。試料Ｓに対向する耐熱性板２の下面には反応器１を
介してアース１０に接続された金属製の対向電極１１
（図４参照）が密接して配設されている。

【０００６】図４は従来の対向電極１１を示す正面図で
ある。対向電極１１にはマイクロ波が反応室１に進入で
きるように多数の長方形のマイクロ波導入窓１４が形成
されている。対向電極１１と誘電体線路３との間には、
マイクロ波導入路１４を取り囲むＯリング２０が配置さ
れている。この金属製の対向電極１１は高周波電源９が
供給されるカソード（試料保持部７）に対するアノード
となり、カソード上に載置された試料Ｓに対して明確な
バイアス電圧を発生させることができるようになってい
る。このため、この対向電極１１はプラズマ処理装置に
おいて極めて重要な構成部品となっている。また、反応
器１の下部壁には反応器１を真空に排気するための排気
装置に接続された排気管１２が連結されており、反応器
１の側壁には反応室１内に必要な反応ガスを供給するた
めのガス供給管１３が連結されている。

【０００７】上記のように構成されたプラズマ処理装置
にあっては、以下のようにして試料Ｓ表面にエッチング
処理が施される。

【０００８】先ず、排気管１２から排気を行って反応室
１内を所定の圧力に設定し、その後ガス供給管１３から
反応ガスを供給する。次に、マイクロ波発振器５からマ
イクロ波を発振させ、このマイクロ波を導波管６を介し
て誘電体線路３に導入する。そうすると、誘電体線路３
の下方に電界が形成され、形成された電界が耐熱板２を
透過しアースされた対向電極１１のマイクロ波導入窓１
４を通り抜けて反応室１内においてプラズマを発生す
る。同時に、前記プラズマ中のイオンの異方性及び加速
エネルギーを制御するため、高速波電源９から試料Ｓが
載置されている試料保持部７に高周波電源を印加し、試
料Ｓ表面にバイアス電圧を発生させる。このバイアス電
圧によりイオンを試料Ｓに対して垂直に入射させると共
に、試料Ｓに入射するイオンのエネルギーを制御しなが
ら、エッチング条件の最適化を行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図４は対向電極１１を
上方向から見た図である。従来の対向電極１１は、厚さ
が８ｍｍで相互に独立したマイクロ波導入窓１４が配設
されている。前述のプラズマ処理装置では、発生したプ
ラズマにより金属製の対向電極１１が加熱され、対向電
極１１の対角線が交わる中心点では４９０〜５００Ｋの
高温になる。このとき、金属製対向電極中心部でのマイ
クロ波導入窓１４ａと１４ｂとの間の金属部分１５ａ
と、マイクロ波導入路１４ｂと１４ｃの間の金属部分１
５ｂは、熱膨張により膨張し反応容器内にせり出す。こ
の伸びは、熱膨張率を基に計算すると、１．１〜１．５
ｍｍに及ぶ。部分１５ａと部分１５ｂとが反応容器内に
せり出すと、部分１５ａと部分１５ｂの部位において、
当初は密着していた対向電極の上方にある耐熱性板２と
間に隙間が発生し、その隙間に本来目的としていないプ
ラズマが発生する。このような目的外のプラズマの発
生、及び熱膨張による対向電極の歪みにより、バイアス
が試料Ｓに対して均一にかからなくなるため、目的とし
ている対向電極１１の下方に発生するプラズマに均一性
低下等の影響を引き起こし、即ちエッチング特性に不均
一性を与え、更にプラズマの点火不良の原因ともなる。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、対向電極がプラズマにより加熱されても、
熱膨張により対向電極が変形することが防止され、プラ
ズマの均一性の向上、エッチング特性の向上、及び安定
したプラズマの発生を可能とするマイクロ波プラズマ処
理装置及びその実施に使用する対向電極を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１のマイ
クロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波発信器と、試料
保持部と、この試料保持部上の試料に高周波電界又は直
流電界を印加する手段と、前記試料保持部に対向配置さ
れマイクロ波を通過する複数のマイクロ波導入窓が設け
られた対向電極とを有し、前記対向電極のマイクロ波導
入窓は相互にスリットで連結されていることを特徴とす
る。

【００１２】本発明に係る第２のマイクロ波プラズマ処
理装置は、マイクロ波発信器と、マイクロ波を伝送する
導波管と、この導波管に接続された誘電体線路に対向配
置されるマイクロ波導入窓を有する反応器と、反応器内
に処理すべき試料基板を載置する試料保持部と、この試
料保持部に高周波電界又は直流電界を印加する手段と、
前記試料保持部に対向配置されマイクロ波が通過できる
複数のマイクロ波導入窓が設けられた対向電極とを有す
るマイクロ波プラズマ処理装置において、前記対向電極
は複数のマイクロ波導入窓を相互に連結するスリットを
有することを特徴とする。

【００１３】更に、本発明に係る対向電極は、マイクロ
波を通過する複数のマイクロ波導入窓と、これらのマイ
クロ波導入窓を相互に連結するスリットとを有すること
を特徴とする。

【００１４】これらのマイクロ波プラズマ処理装置及び
対向電極において、前記スリットは前記対向電極の表面
に垂直の側壁を有するか、前記スリットは前記対向電極
の表面に傾斜した側壁を有するものとすることができ
る。また、前記スリットの幅は１．５乃至２．０ｍｍで
あることが好ましい。

【００１５】本発明においては、プラズマ発生時の熱に
よる対向電極の膨張を、マイクロ波導入窓を相互に連結
するスリットが吸収し、対向電極の変形が抑制される。
対向電極の熱膨張による変形は対向電極上部にある耐熱
板との間に隙間を生じさせ、この隙間で発生した目的外
のプラズマ放電、及び対向電極の熱膨張によって起こる
バイアス不均一により、エッチング均一性が低下する
が、本発明においては、対向電極の変形が防止されるた
め、このエッチング均一性の低下が防止される。その結
果、プラズマの安定性が向上すると共に、エッチンググ
レートの均一性が向上する。

【００１６】また、スリットの幅を１．５乃至２．０ｍ
ｍとすることにより、プラズマを均一に形成しつつ、対
向電極の熱膨張による変形を防止することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明
の実施例に係る対向電極１５を示す正面図である。この
対向電極１５は図４に図示した対向電極１１の替わり
に、図３に示すマイクロ波プラズマ処理装置に取り付け
られる。図１において、図４と同一構成物には同一符号
を付してその詳細な説明は省略する。

【００１８】金属製の対向電極１５には、マイクロ波を
通過させるマイクロ波導入窓１４が複数個形成されてい
る。このマイクロ波導入窓１４は、長方形をなし、相互
に平行に配置されている。そして、対向電極１５には、
各マイクロ波導入窓１４の中心を相互に連結するように
して、幅が１．５乃至２．０ｍｍのスリット１６が形成
されている。

【００１９】図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線による断面図
であり、スリット１６の形状を示すものである。この図
２（ａ）に示すように、スリット１６はその側壁が対向
電極１５の表面に垂直である。

【００２０】このように構成された対向電極１５は図３
に示すプラズマ処理装置に対向電極１１の替わりに取り
付けられる。そして、従来と同様に、プラズマを生成し
てエッチング又は薄膜形成を行う。この場合に、本実施
例においては、対向電極１５にスリット１６が形成され
ているので、プラズマにより金属製の対向電極１５が加
熱されても、その熱膨張による変形が防止される。

【００２１】前述のように、熱膨張による金属の伸び
は、熱膨張率から計算すると、１．１〜１．５ｍｍに及
ぶ。実際に、従来の対向電極１１を図３に示すプラズマ
処理装置に設置し（６インチ仕様）、μ／ＲＦ＝１３０
０／６００Ｗ、圧力３０〜５０ｍＴｏｒｒ、プロセスガ
スＣＨＦ₃等の条件でプラズマ処理を行うと、図４に示
すように、対向電極１１の中心部分１５ａ、１５ｂがマ
イクロ波導入窓１４に垂直な方向へ１〜２ｍｍ程度たわ
む。

【００２２】そこで、本発明実施例においては、図４中
に示した従来の対向電極１１の独立した長方形のマイク
ロ波導入窓１４に対し、図１に示すように、窓の長手方
向の中心位置に、マイクロ波導入窓１４に直交する幅
１．５乃至２．０ｍｍのスリット１６を形成する。この
ようなスリット１６を設けることにより、図４の金属部
分１５ａ及び金属部分１５ｂの伸びが吸収され、対向電
極の熱による変形が防止される。そこで、本実施例にお
いて、プラズマ処理を行うと、安定してプラズマを発生
できると共に、エッチングレートの均一性を向上させる
ことができる。

【００２３】なお、スリットの形状は、図２（ａ）に示
すように、スリットを対向電極の表面に垂直に形成され
ている。このように、スリット１６を垂直に形成した場
合は、加工が容易であり、低コストで対向電極を製造す
ることができる。しかし、スリット形状はこの図２
（ａ）に示す垂直に限らず、図２（ｂ）に示すように、
スリット１６ａを対向電極１５の表面に対して傾斜する
ように形成することもできる。このように、スリット１
６ａを対向電極１５の表面に対し斜めに形成することに
より、より均一性が優れたプラズマを発生させることが
できる。

【００２４】また、試料に印加する電界は、高周波電界
に限らず、直流電界でも同様の効果を奏する。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
対向電極の各マイクロ波導入窓を連結するスリットを設
けたので、対向電極の変形を防止することができる。こ
のため、第１に、プラズマ処理装置におけるプラズマ点
火性を向上させることができる。変形した対向電極で
は、変形部と対向電極上部の耐熱板との間で発生する目
的としないプラズマが、導入されたマイクロ波のエネル
ギーを消費し、プラズマの発生効率が落ちる。しかし、
変形が無い対向電極では、安定してマイクロ波が供給さ
れるため、安定した点火性能を期待できる。実際に、変
形した対向電極をプラズマ処理装置に設置し、前述のμ
／ＲＦ＝１３００／６００Ｗ、圧力３０〜５０ｍＴｏｒ
ｒ、プロセスガスＣＨＦ₃等の条件でプラズマ処理を行
うと、プラズマが発生しないか、又はマイクロ波のマッ
チングが取りにくい等の問題が発生するが、本発明の対
向電極をプラズマ処理装置に設置して同様の処理を行う
と、上記のような問題は全て回避された。

【００２６】対向電極の変形防止により、第２に、エッ
チングレート均一性を向上させることができる。対向電
極が変形すると、試料に対してバイアスが不均一にかか
り、試料面内におけるエッチングレート均一性が低下す
るが、変形が無い対向電極では試料に対してバイアスが
均一に印加されるため、エッチングレート均一性が向上
する。実際に、変形した対向電極と変形しない対向電極
をプラズマ処理装置に設置してプラズマ処理すると、変
形した対向電極では８％程度であったエッチングレート
均一性がスリットを有する対向電極の場合は、エッチン
グレートの均一性が１１％に向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る対向電極を示す正面図で
ある。

【図２】図１のＡ−Ａ線による断面図であり、本実施例
の対向電極のスリット形状を示し、（ａ）は表面に垂直
のスリット、（ｂ）は表面に傾斜したスリットを示す。

【図３】プラズマ処理装置を示す図である。

【図４】従来の対向電極を示す正面図である。

【符号の説明】

１：反応器２：耐熱性板３：誘電体線路４：金属板５：マイクロ波発信器６：導波管７：試料保持部８：試料台９：高周波電源１０：アース１１、１５：対向電極１２：排気管１３：ガス供給管１４：マイクロ波導入窓１６，１６ａ：スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23C 16/511

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発信器と、試料保持部と、こ
の試料保持部上の試料に高周波電界又は直流電界を印加
する手段と、前記試料保持部に対向配置されマイクロ波
を通過する複数のマイクロ波導入窓が設けられた対向電
極とを有し、前記対向電極のマイクロ波導入窓は相互に
スリットで連結されていることを特徴とするマイクロ波
プラズマ処理装置。
【請求項２】マイクロ波発信器と、マイクロ波を伝送
する導波管と、この導波管に接続された誘電体線路に対
向配置されるマイクロ波導入窓を有する反応器と、反応
器内に処理すべき試料基板を載置する試料保持部と、こ
の試料保持部に高周波電界又は直流電界を印加する手段
と、前記試料保持部に対向配置されマイクロ波が通過で
きる複数のマイクロ波導入窓が設けられた対向電極とを
有するマイクロ波プラズマ処理装置において、前記対向
電極は複数のマイクロ波導入窓を相互に連結するスリッ
トを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
置。
【請求項３】前記スリットは前記対向電極の表面に垂
直の側壁を有することを特徴とする請求項１又は２に記
載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】前記スリットは前記対向電極の表面に傾
斜した側壁を有することを特徴とする請求項１又は２に
記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項５】前記スリットの幅は１．５乃至２．０ｍ
ｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１
項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項６】マイクロ波を通過する複数のマイクロ波
導入窓と、これらのマイクロ波導入窓を相互に連結する
スリットとを有することを特徴とする対向電極。
【請求項７】前記スリットは前記対向電極の表面に垂
直の側壁を有することを特徴とする請求項６に記載の対
向電極。
【請求項８】前記スリットは前記対向電極の表面に傾
斜した側壁を有することを特徴とする請求項６に記載の
対向電極。
【請求項９】前記スリットの幅は１．５乃至２．０ｍ
ｍであることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１
項に記載の対向電極。