JP4000517B2

JP4000517B2 - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4000517B2
Application number: JP2002315628A
Authority: JP
Inventors: 成行石井; 浩文鍋澤; 元一金沢; 豊久浅地
Original assignee: Toyama Prefecture; Tateyama Machine Co Ltd
Current assignee: Toyama Prefecture; Tateyama Machine Co Ltd
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: JP2004152940A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路等の半導体微細素子の製造工程中で行なわれるドライエッチングや、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等を行う際に用いられるマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平７−２９６９９１号公報
【特許文献２】
特開平４−１１８８３８号公報
従来、先行技術文献１にあるように、反応性ガスをプラズマ化してドライエッチングやＣＶＤを行うプラズマ処理装置がある。このプラズマ処理装置のプラズマ発生方法は、永久磁石を用いて磁場を形成し、この磁場中にマイクロ波を放射し、電子サイクロトロン共鳴（以下ＥＣＲという）を利用してプラズマを発生させるものである。ここで用いられるマイクロ波は、２．４５ＧＨｚの工業用周波数であり、このマイクロ波を用いた場合のＥＣＲ条件を満たす磁場の強さは、８７５Gaussである。この永久磁石方式のＥＣＲプラズマ処理装置は、大型の電磁石を用いないことから省エネルギーで小型化が可能な装置である。
【０００３】
さらに特許文献１では、真空容器内の天井部分に永久磁石を配置し、真空容器の天蓋には同軸導波管が連通され、この同軸導波管は矩形導波管を介してマイクロ波電力供給装置に接続されている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されているように、ＥＣＲプラズマ処理装置のマイクロ波発生用アンテナを、副プラズマ室内に設け、アンテナ形状を逆Ｌ字形にしたものも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術の装置は、永久磁石を用いて小型化された装置ではあるが、真空容器や永久磁石等の装置の構造が複雑であり、小型化には限度があった。しかも、真空室内の所望の限られた領域に効果的にミラー磁場を発生させることができず、被処理基板の設置位置に高密度で均一なプラズマを発生させることが難しいものであった。また、マイクロ波の放射においても、上記従来の技術の場合、導波管や副プラズマ室を必要とし、装置が大型化し、効率も良くないものであった。従って、より小型で効率よくＥＣＲ磁場を形成することができる装置が望まれていた。
【０００６】
この発明は上記従来の技術に鑑みなされたもので、効率よくＥＣＲ磁場を形成することができると共に、高密度で均一なプラズマを生成することができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ＥＣＲプラズマを発生させるための永久磁石を、真空室の内壁側に配置したマイクロ波プラズマ処理装置であって、上記永久磁石は、矩形状に形成され、この矩形状を含む平面の一方の側には同じ磁極が位置するように外枠磁石を配置し、この外枠磁石の内側の中央部に外枠磁石の磁極とは反対の磁極の中央部磁石が位置し、上記真空室にＴＥ 01 モードの電磁界を発生させ、上記真空室内のＥＣＲゾーンに発生したプラズマを利用して、上記真空室内の処理台上に設けられた被処理基板の処理を行うことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置である。
【０００８】
上記中央部磁石は上記外枠磁石の内側を横断するように配置され、上記中央部磁石の端面は互いに対面する上記外枠磁石の内面に接している。また、上記外枠磁石とその内側の中央部磁石とは同じ材料の永久磁石により構成され、上記中央部磁石は上記外枠磁石を構成する１本の永久磁石の厚さの約２倍の厚さに形成されていると良い。
【０００９】
この永久磁石は、真空室の天蓋の天井面に固着されている。また、上記真空室内にはマイクロ波放射用のアンテナが突設され、このマイクロ波放射用アンテナの先端部はＬ字状に屈曲されている。そして、上記Ｌ字状のアンテナの真空室内の突出長さは、発生させるマイクロ波の波長λの４分の１の長さである。また、上記Ｌ字状のアンテナの屈曲された先端部の長さは、発生させるマイクロ波のＴＥ01モードの管内波長λｇ0の４分の１の長さである。上記Ｌ字状アンテナの真空室内の突出位置は、上記永久磁石の端面から、上記マイクロ波のＴＥ01モード管内波長λｇ0の４分の１の間隔を空けた位置である。
【００１０】
はた、上記永久磁石には、上記永久磁石の真空室側の端面を覆うように非磁性体の導電性カバーが設けられ、このカバーと上記真空室の内壁との間は、上記マイクロ波のＴＥ11モードの管内波長λｇ1の２分の１の沿面距離が形成されるように設けられているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図面を基にして説明する。この実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置は、従来と同様に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用した永久磁石方式ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ装置である。この実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１０は、図１，図２に示すように、アルミニウム等の非磁性体の導体により形成された円筒状の真空室１２と、この真空室１２内にＥＣＲプラズマを発生させるための磁界を形成する永久磁石２０を設けたものである。真空室１２は、上面開口部に天蓋１４が気密状態で取付可能に設けられ、真空室１２の天蓋１４の天井面１４ａに、永久磁石２０が固着されている。天蓋１４は、強磁性体の材料により構成され、例えば強磁性体のステンレス鋼により形成されている。
【００１２】
永久磁石２０は、例えばＮｄ-Ｆｅ-Ｂ磁石であり、全体形状が矩形状に形成され、矩形状の外枠磁石２２が正方形に形成され、真空室１２内を向く面は全て同じ磁極、例えばＮ極になるように配置されている。この外枠磁石２２の中央部には、外枠磁石２２の磁極とは反対の磁極、ここではＳ極が真空室１２内を向いて位置した中央部磁石２４が配置されている。中央部磁石２４は、一対の外枠磁石２２の辺の間に位置し、且つ中央部磁石２４の両端は外枠磁石２２の各辺の中央に密着している。外枠磁石２２と中央部磁石２４は、同じ残留磁束密度のＮｄ-Ｆｅ-Ｂ磁石により構成され、中央部磁石２４の厚さは、外枠磁石２２の１本の厚さの約２倍の厚さに形成されている。この永久磁石２０は高い残留磁束密度の永久磁石であり、図３に示すように、外枠磁石２２から中央部磁石２４に向かって閉じた磁力線が形成されるミラー磁場を形成する。そして、中央部磁石２４が外枠磁石２２に密着して形成されていることにより、外枠磁石２２からシャープな立ち上がりで、コンパクトな形状で閉じたミラー磁場を形成する。
【００１３】
この真空室１２内には、図１，図２に示すように、マイクロ波放射用のアンテナ２６が、永久磁石２０の一方の端面と平行な方向である水平方向に突設されている。このマイクロ波放射用アンテナ２６は、先端部２６ａがＬ字状に屈曲されている。Ｌ字状のアンテナ２６の真空室１２内での突出長さは、発生させるマイクロ波の波長λの４分の１の長さである。また、真空室１２内でＬ字状に屈曲された先端部の長さは、発生させるマイクロ波の後述するＴＥ01モードの管内波長λｇ0の４分の１の長さである。さらに、Ｌ字状のアンテナ２６の真空室１２内の突出位置は、永久磁石２０の真空室１２内での下端面から、発生させるマイクロ波のＴＥ01モードの管内波長λｇ0の４分の１の間隔を空けた位置である。この位置は、後述するＥＣＲゾーン３４の面にほぼ一致している。
【００１４】
また、永久磁石２０には、真空室１２側の端面を覆うように非磁性体で導電性を有するアルミニウム等のカバー２８が設けられている。このカバー２８は、真空室１２の内壁面１２ａに沿って、一回り小径に形成された有底筒状カバーでありその側面２８ａの上縁部には、真空室１２の内壁面１２ａに接する細いフランジ部２８ｂが形成されている。
【００１５】
真空室１２の内壁１２ａとカバー２８の側面２８ａとの間には、フランジ部２８ｂまでの隙間が形成され、この隙間は、発生させるマイクロ波のＴＥ11モードの管内波長λｇ1／４の深さに形成されている。この深さは、カバー２８の側面２８ａと真空室１２の内壁面１２ａとの間で、マイクロ波のＴＥ11モードの管内波長λｇ1の２分の１の沿面距離が形成されるように設けられていれば良く、深さ自体がλｇ1／４である必要はない。例えば、真空室１２の内壁１２ａとカバー２８の側面２８ａとの間の隙間を、λｇ1／４よりも浅く形成し、カバー２８の側面２８ａに凹部や凸部を形成することにより、この隙間での沿面距離がマイクロ波のＴＥ11モードの管内波長λｇ1の２分の１の沿面距離となるようにしたものでも良い。
【００１６】
真空室１２内には、半導体ウェーハやガラス基板等の、ドライエッチングやプラズマＣＶＤを行う被処理基板３０が載置され、一方の電極となる処理台３２が所定位置に固定されている。また、真空室１２の側壁上部には図示しない放電ガス供給装置が、ガス導入管を介して連通され、真空室１２の側壁下部には図示しない排気装置が排気管を介して連通されている。
【００１７】
この実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１０の動作は、先ず、真空室１２内を排気装置により真空引きし、放電ガス供給装置より放電ガスを導入する。そして、マイクロ波電力供給装置よりマイクロ波をアンテナ２６に供給すると、アンテナ２６からマイクロ波が放射される。放射された２．４５ＧＨｚのマイクロ波により、永久磁石２０による磁界の８７５Gaussの強さの位置である図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すＥＣＲゾーン３４で、ＥＣＲ状態が得られ、ＥＣＲプラズマが発生する。このプラズマを利用して、処理台３２上の被処理基板３０をエッチング、又はＣＶＤ等を行う。
【００１８】
この実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１０の真空室１２内での電磁界モードは、円形導波管の電磁界モードＴＥ11（図４Ａ）とＴＥ01（図４Ｂ）に示すモードのうち、ＴＥ01モードを励振するようにしている。これは、ＴＥ11モードとＴＥ01モード等の複数のモードを発生させて所望の電磁界強度分布を得られるようにしても良いが、図６に示すＴＥ11モードの電界強度分布（Ｅｒは半径方向の電界強度、Ｅφは円周方向の電界強度を指す。φは測定位置の導波管内での角度を示す。）からわかるように、ＴＥ11モードでは、真空室１２の内壁付近でもエネルギーが高く、この部分ではＥＣＲゾーン３４から外れており、エネルギーの無駄が生じている。そこで、よりエネルギー効率良くプラズマを発生させるには、図４（Ｂ）、図５に示すように真空室の内壁部分で電界強度が０の、ＴＥ01モードを単一で励振した方がよい。
【００１９】
このＴＥ01モードのみとするための構成として、カバー２８の側壁２８ａと真空室１２の内壁面１２ａとの間の隙間が形成されている。この隙間の深さが、λｇ1／４に設定されていることにより、ＴＥ11モードのマイクロ波は、この隙間の沿面を往復することにより半波長ずれることになり、真空室１２内のＴＥ11モードの波と互いに打ち消し合う。これによりＴＥ11モードが生成されなくなるものである。
【００２０】
この実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１０は、永久磁石２０を矩形に組み合わせてより小さい範囲のミラー磁場を形成することができ、フラットなＥＣＲゾーンを形成することができる。また、Ｌ形のアンテナ２６を真空室１２内に突設してマイクロ波を放射するようにしているので、永久磁石２０の配置と相まって効率よく高密度なプラズマを発生させることができる。
【００２１】
また、アンテナ２６の真空室１２内への突出長さ、及びＬ字部分の先端の長さが、放射するマイクロ波の波長λの４分の１の長さであり、効率よくエネルギーを真空室１２内へ伝搬する。
【００２２】
さらに、アンテナ２６の真空室１２内での突出位置が、永久磁石２０の真空室１２内での下端面から、発生させるマイクロ波の管内波長λｇ0の４分の１の長さを空けた位置とし、マイクロ波を効率よく放射することができる。特に、このアンテナ２６の真空室１２内での突出位置は、ほぼＥＣＲゾーン３４と一致しており、効率良くＥＣＲプラズマを発生させるとともに、アンテナ２６から導入したマイクロ波はこの位置で振幅が最大になる。これにより、所望のマイクロ波プラズマ処理をきわめて効率よく行なうことができる。
【００２３】
また、天蓋１４の永久磁石２０の下面にカバー２８を設け、真空室１２の内壁面１２ａとの間に、ＴＥ１１モードの管内波長λｇ１の２分の１の沿面距離が形成されることにより、真空室１２内でのマイクロ波のモードがＴＥ０１モードを主たるモードとすることができ、エネルギー効率良く高密度のプラズマを発生させることができる。
【００２４】
なお、この発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記Ｌ字状のアンテナの屈曲された先端部の長さは、発生させるマイクロ波の波長の４分の１以下の長さであれば良い。永久磁石の種類や組み合わせも適宜設定可能なものである。また、真空室内のマイクロ波のモードはＴＥ01、ＴＥ11モードやその他の適宜の単一または複数のモードになるようにしてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
この発明によれば、高密度なプラズマを効率よく発生させることができ、装置の小型化省エネルギー化に寄与するものである。また、フラットで均一なＥＣＲゾーンを形成することができ、より高品質なエッチング処理やＣＶＤ処理等を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置の横断面図である。
【図２】この発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。
【図３】この発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置に用いられる永久磁石とその磁力線及びＥＣＲゾーンを示した平面図（Ａ）、右側面図（Ｂ）、正面図（Ｃ）である。
【図４】この発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置の真空室内の電磁界モードのＴＥ11モードを示す模式図（Ａ）、ＴＥ01モードを示す模式図（Ｂ）である。
【図５】この発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置の、真空室内の電磁界モードのＴＥ01モードの相対的な電界強度分布を示すグラフである。
【図６】この発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置の、真空室内の電磁界モードのＴＥ11モードの相対的な電界強度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１０マイクロ波プラズマ処理装置
１２真空室
１４天蓋
２０永久磁石
２２外枠磁石
２４中央部磁石
２６アンテナ
２８カバー
３０被処理基板

Claims

電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを発生させるための永久磁石を、真空室の内壁側に配置したマイクロ波プラズマ処理装置において、上記永久磁石は、矩形状に形成され、この矩形状を含む平面の一方の側には同じ磁極が位置するように外枠磁石を配置し、この外枠磁石の内側の中央部に外枠磁石の磁極とは反対の磁極の中央部磁石が位置し、上記真空室内にはマイクロ波放射用のアンテナが突設され、このマイクロ波放射用アンテナの先端部はＬ字状に屈曲され、上記Ｌ字状のアンテナの真空室内での突出長さは、発生させるマイクロ波の波長の４分の１の長さであり、上記Ｌ字状のアンテナの屈曲された先端部の長さは、発生させるマイクロ波のＴＥ 01 モードの管内波長の４分の１の長さであり、上記真空室にＴＥ 01 モードの電磁界を発生させ、上記真空室内のＥＣＲゾーンに発生したプラズマを利用して、上記真空室内の処理台上に設けられた被処理基板の処理を行うことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
上記永久磁石の真空室側の端面を覆うように非磁性体の導電性カバーが設けられ、このカバーと上記真空室の内壁との間は、上記マイクロ波のＴＥ11モードの管内波長の２分の１の沿面距離となるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
上記Ｌ字状アンテナの真空室内の突出位置は、上記永久磁石の端面から、上記マイクロ波のＴＥ 01 モードの管内波長の４分の１の間隔を空けた位置であることを特徴とする請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
上記永久磁石は、真空室の天蓋の天井面に固着され、上記中央部磁石は上記外枠磁石の内側を横断するように配置され、上記中央部磁石の端面は互いに対面する上記外枠磁石の内面に接していることを特徴とする請求項３記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
上記外枠磁石とその内側の中央部磁石とは同じ材料の永久磁石により構成され、上記中央部磁石は上記外枠磁石を構成する１本の永久磁石の厚さの２倍の厚さに形成されていることを特徴とする請求項４記載のマイクロ波プラズマ処理装置。