JP4401400B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を用いて生成したプラズマによって、半導体基板又は液晶ディスプレイ用ガラス基板等にエッチング又はアッシング等の処理を施す装置に関する。

反応ガスに外部からエネルギを与えて生じるプラズマは、ＬＳＩ又はＬＣＤ等の製造プロセスにおいて広く用いられている。特に、ドライエッチングプロセスにおいて、プラズマの利用は不可欠の基本技術となっている。一般にプラズマを生成させる励起手段には２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合と、１３．５６ＭＨｚのＲＦ（Radio Frequency ）を用いる場合とがある。前者は後者に比べて高密度のプラズマが得られるとともに、プラズマ発生のために電極を必要とせず、従って電極からのコンタミネーションを防止できるという利点がある。ところが、マイクロ波を用いたプラズマ処理装置にあっては、プラズマ生成領域の面積を広くし、且つ密度が均一になるようにプラズマを発生させることが困難であった。しかしながら、マイクロ波プラズマ処理装置には前述した如く種々の利点があるため、該装置によって大口径の半導体基板，ＬＣＤ用ガラス基板等の処理を実現することが要求されていた。この要求を満たすため、本願出願人は、特開昭６２−５６００号公報、特開昭６２−９９４８１号公報等において次のような装置を提案している。

図６は、特開昭６２−５６００号公報及び特開昭６２−９９４８１ 号公報に開示した装置と同タイプのマイクロ波プラズマ処理装置を示す側断面図であり、図７は図６に示したプラズマ処理装置の平面図である。矩形箱状の反応器３１は、その全体がアルミニウムで形成されている。反応器３１の上部にはマイクロ波導入窓が開設してあり、該マイクロ波導入窓は封止板３４で気密状態に封止されている。この封止板３４は、耐熱性及びマイクロ波透過性を有すると共に誘電損失が小さい、石英ガラス又はアルミナ等の誘電体で形成されている。

反応器３１には、該反応器３１の上部を覆う長方形箱状のカバー部材４０が連結してある。このカバー部材４０内の天井部分には誘電体線路４１が取り付けてあり、該誘電体線路４１と封止板３４との間にはエアギャップ４３が形成されている。誘電体線路４１は、テフロン（登録商標）といったフッ素樹脂，ポリエチレン樹脂又はポリスチレン樹脂等の誘電体を、矩形と三角形とを組み合わせた略五角形の頂点に凸部を設けた板形状に成形してなり、前記凸部をカバー部材４０の周面に連結した導波管２１に内嵌させてある。導波管２１にはマイクロ波発振器２０が連結してあり、マイクロ波発振器２０が発振したマイクロ波は、導波管２１によって誘電体線路４１の凸部に入射される。

前述した如く、誘電体線路４１の凸部の基端側は、平面視が略三角形状のテーパ部４１ａになしてあり、前記凸部に入射されたマイクロ波はテーパ部４１ａに倣ってその幅方向に拡げられ誘電体線路４１の全体に伝播する。このマイクロ波はカバー部材４０の導波管２１に対向する端面で反射し、入射波と反射波とが重ね合わされて誘電体線路４１に定在波が形成される。

反応器３１の内部は処理室３２になっており、処理室３２の周囲壁を貫通する貫通穴に嵌合させたガス導入管３５から処理室３２内に所要のガスが導入される。処理室３２の底部壁中央には、試料Ｗを載置する載置台３３が設けてあり、載置台３３にはマッチングボックス３６を介して高周波電源３７が接続されている。また、反応器３１の底部壁には排気口３８が開設してあり、排気口３８から処理室３２の内気を排出するようになしてある。

このようなマイクロ波プラズマ処理装置を用いて試料Ｗの表面にエッチング処理を施すには、排気口３８から排気して処理室３２内を所望の圧力まで減圧した後、ガス導入管３５から処理室３２内に反応ガスを供給する。次いで、マイクロ波発振器２０からマイクロ波を発振させ、これを導波管２１を介して誘電体線路４１に導入する。このとき、テーパ部４１ａによってマイクロ波は誘電体線路４１内で均一に拡がり、誘電体線路４１内に定在波を形成する。この定在波によって、誘電体線路４１の下方に漏れ電界が形成され、それがエアギャップ４３及び封止板３４を透過して処理室３２内へ導入される。このようにして、マイクロ波が処理室３２内へ伝播する。これにより、処理室３２内にプラズマが生成され、そのプラズマによって試料Ｗの表面をエッチングする。これによって、大口径の試料Ｗを処理すべく反応器３１の直径を大きくしても、その反応器３１の全領域へマイクロ波を均一に導入することができ、大口径の試料Ｗを均一にプラズマ処理することができる。
特開昭６２−５６００号公報 特開昭６２−９９４８１号公報

このようなマイクロ波プラズマ処理装置では、誘電体線路４１に導入したマイクロ波によって形成される電界が所要の分布になるように、テーパ部４１ａ の長さ及び誘電体線路４１の幅等の寸法並びに誘電体線路４１の材質等を設定してある。しかし、誘電体線路４１に分布した電界の強度が位置によって異なることがあり、そのような場合、試料Ｗの各位置でプラズマによる処理速度が異なり、プラズマ処理の均一性が低下するという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところはプラズマを生成させる容器の一部を封止する封止部材に臨ませて、該封止部材を覆う導電性のカバー部材及び該カバー部材の内面に設けた誘電体線路を貫通する貫通穴が開設してあり、該貫通穴に、前記カバー部材と短絡してある導電性の棒部材が、該棒部材の周面と誘電体線路との間に適宜の距離を隔てて、進退自在に挿入してある構成にすることによって、容器内に分布する電界の強度を調整して、プラズマ処理の均一性を向上させ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ことにある。

本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、容器の一部を封止する封止部材と、該封止部材を覆う導電性のカバー部材と、該カバー部材の前記封止部材に対向する部分に封止部材から距離を隔てて設けた誘電体線路と、該誘電体線路へマイクロ波を発振するマイクロ波発振器とを備え、前記誘電体線路を伝搬したマイクロ波を容器内へ導入してプラズマを生成し、そのプラズマによって被処理物を処理するマイクロ波プラズマ処理装置において、前記封止部材に臨ませて、前記カバー部材及び誘電体線路を貫通する貫通穴が開設してあり、該貫通穴に、前記カバー部材と短絡してある導電性の棒部材が、該棒部材の周面と誘電体線路との間に適宜の距離を隔てて、前記誘電体線路と前記封止部材との間に一定間隔を隔てて形成されるエアギャップ、前記誘電体線路、及び、前記カバー部材間を進退自在に挿入してあることを特徴とする。
本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、前記棒部材の前記封止部材に対向する端部の前記封止部材と平行をなす平面による断面面積は、棒部材の他の部分の前記平面による断面面積より大きくなしてあることを特徴とする。
本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、前記貫通穴は、前記誘電体線路を伝搬するマイクロ波によって形成される電界の強度が相対的に高い領域に開設してあることを特徴とする。
本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、前記貫通穴は、前記容器内において他の領域に対して処理速度が遅い領域に対応する位置に開設してあることを特徴とする。

図４は、誘電体線路に分布した電界の強度をシミュレーションした結果を説明する説明図であり、略円板形の誘電体線路を用いた結果を示してある。直径が３６０ｍｍである円板の周面に略矩形の凸部を設けた形状にテフロン（登録商標）を成形してなる誘電体線路に、前記凸部から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、マイクロ波の伝播によって形成される電界の強度をシミュレーションし、同じ電界強度の地点を線で結んだ。その結果、図４中に矢符で示した如く、誘電体線路に強電界強度の複数の領域が、誘電体線路の円板の中心及び凸部の中央を通る軸に対称になるように形成されている。

このような分布の電界が誘電体線路から漏出し、封止部材を透過して容器内へ導入される。この電界によって容器内にプラズマが生成され、該プラズマが拡散しつつ容器内に配置された被処理物に供給され、該被処理物をプラズマ処理する。容器内に生成されたプラズマの密度は、それと結合する電界の強度と相関するため、プラズマによる処理速度が遅い、即ちプラズマ密度が低い領域がある場合、その領域の電界強度を強くすることによって、プラズマ密度を高くして、処理速度を均一にすることができる。

本発明にあっては、カバー部材及び誘電体線路を貫通する貫通穴内に挿入された導電性の棒部材は、その周面が誘電体線路と接触することがなく導電性のカバー部材と短絡してあるため、棒部材の先端の電位は、誘電体線路に分布した電界のカバー部材における電位と等しい。そのため、棒部材を封止部材の方へ前進させて、棒部材と封止部材との間の距離を短くすると、容器内の棒部材に対応する領域の電界強度を強くすることができる。これによって、前記領域に生成されるプラズマ密度を増大して、プラズマ処理の速度を速くすることができる。従って、容器内において、他の領域よりプラズマによる処理速度が遅い領域が存在する場合、その領域を予め特定しておき、該領域に対応する位置に貫通穴を開設し、該貫通穴に挿入した棒部材を進退させて容器内の電界強度を調整することによって、処理速度を略一定にしてプラズマ処理の均一性を向上させることができる。

本発明にあっては、棒部材の封止部材に対向する端部の封止部材と平行をなす平面による断面面積は、棒部材の他の部分の前記平面による断面面積より大きくなしてあるため、プラズマとの結合が強く、容器内の電界強度の制御性が高い。

本発明にあっては、貫通穴は、誘電体線路を伝搬するマイクロ波によって形成される電界の強度が相対的に高い領域、好ましくは電界の強度が極大の領域に開設してあるため、容器内の電界強度の制御性が高い。また、電界の強度が相対的に高い複数の領域に、容器の平断面の中心点を中心に均等に貫通穴を開設しておき、各貫通穴に棒部材を均等に挿入することによって、小さなパワーで所要の密度のプラズマを略均一に生成することができ、これによってマイクロ波プラズマ処理装置のランニングコストを低減することができる。

以上詳述した如く、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置にあっては、貫通穴に挿入した棒部材を進退させて容器内の電界強度を調整することによって、処理速度を略一定にしてプラズマ処理の均一性を向上させることができる。

本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置にあっては、棒部材の封止部材に対向する端部の前記封止部材と平行をなす平面による断面面積は、棒部材の他の部分の前記平面による断面面積より大きくなしてあるため、プラズマとの結合が強く、容器内の電界強度の制御性が高い。

本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置にあっては、容器内の電界強度の制御性が向上すると共に、小さなパワーで所要の密度のプラズマを略均一に生成することができ、ランニングコストを低減することができる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す側断面図であり、図２は図１に示したマイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。有底円筒形状の反応器１は、その全体がアルミニウムで形成されている。反応器１の上部にはマイクロ波導入窓が開設してあり、該マイクロ波導入窓は封止板４で気密状態に封止されている。この封止板４は、耐熱性及びマイクロ波透過性を有すると共に誘電損失が小さい、石英ガラス又はアルミナ等の誘電体で形成されている。

反応器１には、該反応器１の上部を覆う箱状のカバー部材１０が連結してある。カバー部材１０はアルミニウムといった導電性部材で形成されている。このカバー部材１０内の天井部分には誘電体線路１１が取り付けてあり、該誘電体線路１１と封止板４との間にはエアギャップ９が形成されている。誘電体線路１１は、テフロン（登録商標）といったフッ素樹脂，ポリエチレン樹脂又はポリスチレン樹脂等の誘電体を、円板の周面に略矩形の凸部を設けた形状に成形してなり、前記凸部をカバー部材１０の周面に連結した導波管２１に内嵌させてある。導波管２１にはマイクロ波発振器２０が連結してあり、マイクロ波発振器２０が発振したマイクロ波は、導波管２１によって誘電体線路１１の凸部１１ａに入射される。このマイクロ波は、誘電体線路１１の形状及び寸法等によって定まる伝搬モードにより誘電体線路１１の全領域に伝搬し、所定分布の電界が形成される。

カバー部材１０の中心から適宜距離を隔てた同心円の線上には、カバー部材１０及び誘電体線路１１を貫通する複数の貫通穴１２，１２，…が所定の間隔で開設してあり、各貫通穴１２，１２，…の直径は、カバー部材１０を貫通する部分より誘電体線路１１を貫通する部分の方が大きい。各貫通穴１２，１２，…の位置は、例えば図４に示した複数の強電界強度領域の内の、誘電体線路の中心に最も近い位置で環状に配列した各強電界強度領域の中心に略一致させてある。

カバー部材１０の上面の各貫通穴１２，１２，…の周囲には、後述するチューナ１６，１６，…をそれぞれ進退自在に支持する複数の支持部材１５，１５，…がそれぞれ固定してある。支持部材１５，１５，…は、絶縁材を側面視が凸状に成形してなり、一段高い中央部分は所定高さだけ高くしてある。また、支持部材１５，１５，…には、その中心軸に沿って該支持部材１５，１５，…を貫通する細孔が開設してあり、支持部材１５，１５，…は、その中心軸と貫通穴１２，１２，…の中心軸とが同軸になるように設けてある。そして、支持部材１５，１５，…の各細孔にチューナ１６，１６，…を挿入して、該チューナ１６，１６，…を支持するようになしてある。

チューナ１６は、貫通穴１２のカバー部材１０を貫通する部分の直径と略同じ外径の円柱に導電材を成形してなる本体１７の一端に、絶縁材をピン形状に成形してなる頭部１８が連結してあり、本体１７を下にして支持部材１５内に挿入し、本体１７とカバー部材１０とを接触させてある。従って、各チューナ１６，１６，…の先端の電位は、誘電体線路１１に分布した電界の支持部材１５，１５，…の位置における電位と等しい。一方、誘電体線路１１及びチューナ１６，１６，…の先端から漏出し、封止板４を透過して反応器１内へ導入される電界の強度は指数関数的に減衰する。そのため、チューナ１６，１６，…を進退させて、チューナ１６，１６，…の先端から封止板４までの距離を調整することによって、反応器１内に導入される局所的な電界強度を調節することができ、これによって、反応器１内に生成されるプラズマ密度を局所的に制御することができる。

ところで、支持部材１５，１５，…の高さ寸法は、チューナ１６，１６，…の本体１７，１７，…の長さ寸法と略同じになしてあり、これによって、チューナ１６，１６，…からカバー部材１０の外側へ電界が漏れることが防止される。

反応器１には処理室２の周囲壁を貫通する貫通穴が開設してあり、該貫通穴に嵌合させたガス導入管５から処理室２内に所要のガスが導入される。処理室２の底部壁中央には、試料Ｗを載置する載置台３が前記電極部材２４に対向するように設けてあり、載置台３にはマッチングボックス６を介して高周波電源７が接続されている。また、反応器１の底部壁には排気口８が開設してあり、排気口８から処理室２の内気を排出するようになしてある。

このようなマイクロ波プラズマ処理装置を用いて試料Ｗの表面にエッチング処理を施すには、排気口８から排気して処理室２内を所望の圧力まで減圧した後、ガス導入管５から処理室２内に反応ガスを供給する。次いで、マイクロ波発振器２０から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振させ、これを導波管２１を介して誘電体線路１１に導入し、そこに定在波を形成させることによって所定分布の漏れ電界を発生させる。この漏れ電界がエアギャップ９及び封止板４を透過して処理室２内へ導入され、これにより、処理室２内にプラズマが生成され、そのプラズマによって試料Ｗの表面をエッチングする。

このようにして試料Ｗの表面をエッチングするに当たって、試料Ｗと同じ材料の試験材の表面を、試料Ｗの表面をエッチングする場合と同じ条件でエッチングし、試験材表面の複数の部分でエッチングレートを測定する。そして、得られた複数のエッチングレートが均一でない場合、各測定部分とそのエッチングレートに基づいて、エッチングレートが高い部分に対応するチューナ１６を前進させて、処理室２内の局所的なプラズマ密度を調節した後、別の試験材をエッチングし、再び複数の部分でエッチングレートを測定する。そのような操作を、均一なエッチングレートが得られるまで繰り返すことによって、各チューナ１６，１６，…の位置を予め調整しておく。これによって、プラズマ処理の均一性を向上させることができる。

また、前述した如く、各チューナ１６，１６，…は、誘電体線路１１内に形成された複数の強電界強度領域の内、誘電体線路１１の中心に最も近い位置で環状に配列した各強電界強度領域の中心に略一致させてあるため、各チューナ１６，１６，…を均一に貫通穴１２，１２，…内に進入させることによって、小さなパワーで処理室２内に所要の密度のプラズマを略均一に生成することができ、これによってマイクロ波プラズマ処理装置のランニングコストを低減することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２を示す側断面図であり、チューナ１６，１６，…の先端の直径を他の部分より大きくなした場合を示している。なお、図中、図１に対応する部分には同じ番号を付してその説明を省略する。図３に示した如く、チューナ１６，１６，…の先端には、本体１７，１７，…の直径より大きく、貫通穴１２，１２，…の誘電体線路１１を貫通する部分の直径より小さい直径の円板に導電性金属を成形した板部材１９，１９，…が、本体１７，１７，…の中心軸と板部材１９，１９，…の中心とが一致するように固定してある。これによって、板部材１９，１９，…が設けてない場合に比べて、漏れ電界とプラズマとの結合が強くなり、従って処理室２内の電界強度の制御性が向上する。

なお、本実施の形態では、板部材１９，１９，…の直径を、本体１７，１７，…の直径より大きく、貫通穴１２，１２，…の誘電体線路１１を貫通する部分の直径より小さくすることによって、板部材１９，１９，…を貫通穴１２，１２，…内へ挿入自在になしてあるが、本発明はこれに限らず、板部材１９，１９，…の直径を、貫通穴１２，１２，…の誘電体線路１１を貫通する部分の直径より大きくしてもよい。この場合、全てのチューナ１６，１６，…の先端が、エアギャップ９内に突出しているため、前述した如く電界とプラズマとの結合が強い。加えて、チューナ１６，１６，…の先端の面積が大きいため、電界とプラズマとの結合が更に強く、より小さなパワーで処理室２内に所要密度のプラズマを生成することができる。

なお、上述した実施の形態は、略円板状の誘電体線路を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、図５に示した如く、矩形と三角形とを組み合わせた略五角形の誘電体線路１１ａを用いた場合にも適用できる。この場合、矩形箱状のカバー部材１０ａ及び誘電体線路１１ａに、該誘電体線路１１ａの中心軸上に所定距離を隔てて例えば３つの貫通穴を開設し、各貫通穴の前記中心軸の両側にそれぞれ他の貫通穴を開設する。このようにマトリクス状に開設した貫通穴に対応して、カバー部材１０ａの上面に支持部材１５，１５，…を固定し、各支持部材１５，１５，…にチューナ１６，１６，…を挿入し、該チューナ１６，１６，…を進退させることによって、反応器１ａ内に略均一な密度のプラズマを生成させる。

本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す側断面図である。 図１に示したマイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。 実施の形態２を示す側断面図である。 誘電体線路に分布した電界の強度をシミュレーションした結果を説明する説明図である。 他の実施の形態を示す平面図である。 従来の装置と同タイプのマイクロ波プラズマ処理装置を示す側断面図である。 図６に示したプラズマ処理装置の平面図である。

符号の説明

１ 反応器
２ 処理室
３ 載置台
４ 封止板
１０ カバー部材
１１ 誘電体線路
１２ 貫通穴
１５ 支持部材
１６ チューナ
１７ 本体
１８ 頭部
Ｗ 試料

Claims (4)

1. 容器の一部を封止する封止部材と、該封止部材を覆う導電性のカバー部材と、該カバー部材の前記封止部材に対向する部分に封止部材から距離を隔てて設けた誘電体線路と、該誘電体線路へマイクロ波を発振するマイクロ波発振器とを備え、前記誘電体線路を伝搬したマイクロ波を容器内へ導入してプラズマを生成し、そのプラズマによって被処理物を処理するマイクロ波プラズマ処理装置において、前記封止部材に臨ませて、前記カバー部材及び誘電体線路を貫通する貫通穴が開設してあり、該貫通穴に、前記カバー部材と短絡してある導電性の棒部材が、該棒部材の周面と誘電体線路との間に適宜の距離を隔てて、前記誘電体線路と前記封止部材との間に一定間隔を隔てて形成されるエアギャップ、前記誘電体線路、及び、前記カバー部材間を進退自在に挿入してあることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 前記棒部材の前記封止部材に対向する端部の前記封止部材と平行をなす平面による断面面積は、棒部材の他の部分の前記平面による断面面積より大きくなしてある請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記貫通穴は、前記誘電体線路を伝搬するマイクロ波によって形成される電界の強度が相対的に高い領域に開設してある請求項１又は２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 前記貫通穴は、前記容器内において他の領域に対して処理速度が遅い領域に対応する位置に開設してある請求項１又は２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

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