JP3854238B2

JP3854238B2 - プラズマ源

Info

Publication number: JP3854238B2
Application number: JP2003078556A
Authority: JP
Inventors: 隆一郎伊崎; 佐藤　　進
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp; ARIOS Inc
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp; ARIOS Inc
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004288462A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ源に関し、詳しくは、半導体製造装置、表面改質装置、薄膜生成装置等に用いられるプラズマ源であって、特に、小型で金属不純物による汚染が生じないプラズマ源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、１３．５６ＭＨｚ帯の高周波を利用した誘導結合型のプラズマ源としては、様々な構成のものが提案され、実施されてきているが、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波を励起源としてプラズマを生成する、マイクロ波励起型の場合、プラズマ室にマイクロ波を給電するためには、プラズマ室内に導電性のアンテナを突出させる方法（例えば特許文献１参照。）や、プラズマ室へ導波管によりマイクロ波を導く方法が知られている（例えば特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５３−２９０７６号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平９−１８５９９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プラズマ室内にアンテナを突出させる方法では、金属製のアンテナがプラズマ室内に露出しているため、アンテナがスパッタリングされ、金属不純物による汚染が発生してしまう。このとき、アンテナを絶縁物で覆うことにより、金属汚染を防止することは可能であるが、プラズマに曝されたアンテナが高温に加熱されるため、冷却装置を付加させることが必要となり、装置が大型化してしまう。一方、導波管により給電する方法では、導波管に遮断波長が存在することから、長辺が８０ｍｍ以上となり、装置が大型化するという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、マイクロ波給電によりプラズマを発生させるプラズマ源であって、金属不純物によるガスの汚染が発生せず、しかも、装置の小型化を図ることができるプラズマ源を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のプラズマ源は、一端にガス導入口を、他端にガス導出口を有する絶縁物で形成された筒状のプラズマ室と、マイクロ波を励起源としたプラズマを生成するために、前記プラズマ室の外周部にスパイラル状に巻回したアンテナとを備え、該アンテナは、電気伝導性の良好な材料をコイル状にしたものであって、その給電点をマイクロ波電源に接続してマイクロ波を直接給電するとともに、アンテナ先端を開放したことを特徴とし、特に、前記アンテナの長さが前記マイクロ波の１波長以上であること、該アンテナのスパイラルピッチが６ｍｍ以上であることを特徴としている。さらに、前記プラズマ室に磁場を印加する手段を設けることもできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一形態例を示すプラズマ源の断面図である。このプラズマ源は、絶縁物で形成された筒状のプラズマ室１１と、このプラズマ室１１の外周部にスパイラル状に巻回されたアンテナ１２と、このアンテナにマイクロ波を給電するためのマイクロ波電源１３とを有するものであって、マイクロ波電源１３からのマイクロ波は、同軸ケーブル１４、チューナー（整合器）１５、同軸ケーブル１６、コネクター１７を介して直接給電される。アンテナ１２の先端は開放されている。プラズマ室１１の外部は、アルミニウム等からなる金属製ケースで囲い、マイクロ波の外部への漏洩を防止することが望ましい。また、この金属製ケースに冷却用ファンを設置することにより、プラズマ室１１の温度制御を行うことができる。
【０００９】
プラズマ室１１は、アルミナ、石英、ガラスのように、マイクロ波を透過し、かつ、ガスを遮断して内外の圧力差に耐えられる誘電体により、筒状に形成されている。プラズマ室１１の一端に設けられたガス導入口２１には、室内に供給する放電用ガスの流量を制御する質量流量制御器(マスフローコントローラー)２２と、プラズマ室内の圧力をモニタするための圧力計２３とを備えたガス導入経路２４が接続されており、他端のガス導出口２５にはオリフィス２６が設けられている。
【００１０】
前記アンテナ１２は、銅やニッケル等のように電気伝導性の良好な材料をコイル状としたものであって、コイルの断面形状は、円型である必要はなく、局所的な電界の過度な上昇を防止するため、四角型のリボンにより製作することもできる。また、アンテナ１２は、共振長数が数波長分となるように構成されている。
【００１１】
アンテナ１２における給電点１２ａから同軸ケーブル１６により給電されたマイクロ波は、給電点１２ａ又はチューナー１５とアンテナ先端１２ｂとの間で共振して定在波を生じ、アンテナ内の電界が上昇する。この電界が、静電、誘電あるいは双方の結合により、プラズマ室１１内のガスに印加されることによってプラズマが生成される。アンテナ１２の長さは、寸法的な精度、放電開始前後の付加インピーダンスの変化等から、数波長以上にすることが効率的である。また、給電側には、コネクター１７、チューナー１５等の共振のポイントが複数存在するため、アンテナ１２の長さは厳密でなくとも使用可能である。さらに、アンテナ１２は、その先端を開放しているから、電界が高くなるため、周囲の導体とは充分に離す必要がある。
【００１２】
このアンテナ１２の長さは、供給するマイクロ波の１波長以上、特に２波長付近とすることが好ましく、これより短いと放電させることが困難となり、長くしても得られる効果は少なく、装置の大型化を招くことになる。また、アンテナのスパイラルピッチは、６ｍｍ以上、特に、７〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましく、これよりも狭くすると反射波が大きく出て効率が低下し、大きくし過ぎると装置の大型化を招いて好ましくない。
【００１３】
プラズマ室１１には、前記ガス導入口２１及びガス導出口２５を介して放電用ガスの供給と排出とが行われ、質量流量制御器２２によってプラズマ室内の圧力とガス流量とが一定になるように制御される。また、プラズマ室内の圧力は前記オリフィス２６の孔径を調整することによっても制御できる。
【００１４】
プラズマ室１１内の放電状態は、放電用ガスの圧力に密接な関係がある。プラズマの強さは、ガス圧力の低い領域では均一となるが、条件によっては給電点１２ａの近傍において最も強いプラズマが生成される。ガス圧力は、低圧力から大気圧あるいは加圧まで対応することが可能である。
【００１５】
このように形成したマイクロ波励起型のプラズマ源は、給電状態が極めて良好であり、電力、ガス種及びガス圧力の広い範囲において反射波が極めて少ない特性を得ることができる。そして、アンテナがプラズマ室内に露出しないために金属不純物によるガスの汚染が発生せず、しかも、波長の短いマイクロ波を使用したマイクロ波励起型であるから装置の小型化を図ることができる。また、プラズマ１１室の外部に磁場発生器を配置し、放電部に磁場の効果を加えることも可能である。
【００１６】
【実施例】
実施例１
図２に示す形状のプラズマ源を使用して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用し、プラズマの生成状態を確認する実験を行った。プラズマ室１１には、外径１５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ１５０ｍｍの石英管を用いた。アンテナ１２には直径２ｍｍの銅線を使用し、石英管に密着して約１０ｍｍのピッチで１０ターン巻き付けた。プラズマ質の外周はアルミニウム製ケース１８で覆った。
【００１７】
放電用ガスとしてアルゴンガスを用いた場合、プラズマ室内の圧力が１３３．３Ｐａ（１ｔｏｒｒ）のとき、約１０Ｗの電力で放電を開始した。次に、出力を２００Ｗまで上昇させ、ガス圧力を１３．３３Ｐａ（０．１ｔｏｒｒ）から１３．３３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）まで変化させた。この結果、ガス圧力が１３３．３Ｐａ（１ｔｏｒｒ）以下の時、反射波は最高で約４０Ｗまで上昇したが、常時、安定した連続動作が可能であった。ガス圧力を数百Ｐａ（数ｔｏｒｒ）以上に増加させると反射波は低くなり、１３３３Ｐａ（１０ｔｏｒｒ）以上では１０Ｗ以下となった。
【００１８】
次に、放電用ガスを水素、窒素、酸素、四フッ化メタン、三弗化ヨウ化メタンとした場合について、同様の実験を実施した。これらのガスの場合も、前記アルゴンと同様に、１３３．３Ｐａ（１ｔｏｒｒ）のときには約１０Ｗで放電が開始し、出力を２００Ｗまで上昇させても反射波は最高で数Ｗ程度と非常に低く、極めて効率的な放電状態となった。ガスの圧力が１３３．３Ｐａ（１ｔｏｒｒ）程度の場合、プラズマ室１１内の放電は、プラズマが全体に広がった状態となったが、４００Ｐａ（３ｔｏｒｒ）以上に増加させると、プラズマは、給電点１２ａの付近に局在化するようになり、かつ、放電領域は微小化する傾向となった。
【００１９】
実施例２
実施例１と同じ装置を使用し、アンテナ１２のターン数を変化させた実験を行った。なお、放電ガスにはアルゴンを用いた。この結果、ターン数が１（リング状）の場合は、電力が２００Ｗまでの範囲で放電させることは困難であり、再現性を得ることはできなかった。ターン数を３、５、７と増加させていくと、放電開始電力と反射波とは共に減少し、ターン数が７から１０までは、略同じ挙動となった。
【００２０】
実施例３
実施例１と同じ装置を使用してアンテナ１２のターン数を７で固定し、アンテナ１２のピッチ幅（スパイラルピッチ）を１０ｍｍから４ｍｍまで変化させた。放電ガスにはアルゴンを用いた。この結果、ピッチ幅が６ｍｍ以下のときには反射波が大きく出たが、７ｍｍ以上にすると低下し、これ以上では変化がなかった。この結果は、アンテナ１２の断面形状が円型の場合であっても、幅５ｍｍの四角型のリボンであっても同様であり、アンテナ１２の構造を、ターン数が５以上、ピッチ幅が７〜１０ｍｍとすることにより、極めて効率的なプラズマを生成することができた。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ源によれば、マイクロ波を励起源としたプラズマの生成が容易に可能となる。また、小型でプラズマ室の設計自由度が高く、金属不純物による汚染がなく、電力、ガス種及びガス圧力の広い範囲で、極めて効率的なプラズマ生成が実施できる。したがって、半導体製造装置、表面改質装置、薄膜生成装置への応用に際し、プロセスの高性能化と共に、装置の小型化及び効率化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態例を示すプラズマ源の断面図である。
【図２】実施例で使用したプラズマ源の断面図である。
【符号の説明】
１１…プラズマ室、１２…アンテナ、１２ａ…給電点、１２ｂ…アンテナ先端、１３…マイクロ波電源、１４…同軸ケーブル、１５…チューナー（整合器）、１６…同軸ケーブル、１７…コネクター、２１…ガス導入口、２２…質量流量制御器(マスフローコントローラー)、２３…圧力計、２４…ガス導入経路、２５…ガス導出口、２６…オリフィス

Claims

一端にガス導入口を、他端にガス導出口を有する絶縁物で形成された筒状のプラズマ室と、マイクロ波を励起源としたプラズマを生成するために、前記プラズマ室の外周部にスパイラル状に巻回したアンテナとを備え、該アンテナは、電気伝導性の良好な材料をコイル状にしたものであって、その給電点をマイクロ波電源に接続してマイクロ波を直接給電するとともに、アンテナ先端を開放したことを特徴とするプラズマ源。
前記アンテナの長さが前記マイクロ波の１波長以上であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ源。
前記アンテナのスパイラルピッチが６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ源。
前記プラズマ室に磁場を印加する手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ源。