JP4714347B2 - デュアルプラズマ源下流式反応炉 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に半導体プロセス設備としての遠隔式プラズマ発生装置に関し、特にフォトレジストをアッシングまたは剥離し、半導体基板から重合体の残留物を除去するためのマイクロ波パワーのプラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路を製造する際には、フォトレジストを半導体基板上の全面にコーティングし、現像光に対する選択式露光と、現像または未現像のどちらかの部分を除去することでパターンニングする。パターンニングされたレジストはマスクを形成し、そのマスクはマスクの穴を通してエッチングすることでパターンをその下にある酸化物や金属の層に拡げるために用いられる。マスクはまた、イオンインプランテーションにより基板の領域に選択的に不純物をドープするのに共通に用いられる。マスクが用いられた後は、マスクは代表的には酸化プロセスにより除去される。この酸化させるプロセスは、工業的にはレジストの「剥離」または「アッシング」として参照されている。
【０００３】
スループットを増加させることが半導体産業、特に現代の枚葉式ウェハ処理における基本目的である。枚葉式ウェハ処理システムにおいて、各基板を連続的に処理するために必要とされる時間を何らかの方法で低減することは、競争の激しい工業において重大なコスト削減につなげられる。レジスト剥離の場合には、処理率は反応性酸素フリーラジカルを基板に供給することで高めることができる。例えば、２原子の酸素ガス（O2）のような酸素含有ガスの分解は、酸素フリーラジカルとしても知られる１原子の酸素（O）を生じさせる。
【０００４】
フッ素をNF3，CF4，SF6もしくはフッ素フリーラジカル（F）の形態で添加することは、レジストの化学的性質が前の処理で複雑になっている剥離プロセスをしばしば助ける。例えば、マスクを通して半導体基板に不純物を電気的にドープするのに用いられたりしたときのように、イオンインプランテーションを受けたフォトレジストを除去することは困難である。同様に、レジストマスクを通しての反応性イオンエッチング（RIE）は、特に金属がエッチング中に露光される場合には重合体の残留物を形成しやすく、この重合体の残留物も酸化だけでは除去は困難である。これらの各状況において、フッ素化合物を適用することは、基板からレジストおよび残留物を洗浄する手助けとなる。フッ素はまた他の洗浄、またはエッチングステップにおいても共通に用いられる。
【０００５】
酸素（および／またはフッ素）フリーラジカルの発生を最大化することは、レジストを剥離することができる割合によい影響を与え、それ故基板のスループットを増加させる。このようなフリーラジカルは一般的に、マイクロ波パワー源からのエネルギーを酸素含有ガスに結合させることで生成される。遠隔式マイクロ波プラズマ発生装置は、マグネトロン内で生成されたマイクロ波のエネルギーを導波管を通じて共振キャビティまたは「アプリケーター」に導く。そこではそのエネルギーが、キャビティを通って流れるガスに結合される。ガスが励起されると、それにより酸素フリーラジカル（O）が形成される。フッ素フリーラジカル（F）は同様に、フッ素原料ガスが前記ガスの流れに加えられたときに形成される。一般的な原料ガスはOを供給するためにO2を含み、Fを供給するためにNF3，CF4，SF6またはC2F6を含む。窒素（N2）または形成ガス（N2/H2）が、粒子の運動量を増加させるためにしばしば前記流れに加えられ、それによりラジカルの発生効率が改善される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロ波ラジカル発生装置はアッシュ率に重大な改善をもたらすことができる一方で、従来の技術は何かしらの制限を残している。マイクロ波パワーによって生成されたプラズマは、例えば、高いエネルギーを持ったイオン、電子、ならびにフリーラジカル（例えばO，F，Nなど）等を含む。OとFのフリーラジカルは基板からレジストを剥離し洗浄するのに必要とされるのに対し、プラズマの他の組成成分が直接接触すると、基板および処理チャンバを損傷しうる。その上、プラズマは紫外（UV）放射線を放射し、これもまた基板の構造に有害である。
【０００７】
プラズマと処理チャンバとの間の直接接触は、マイクロ波キャビティもしくはアプリケーターと処理チャンバとの間に伝送管を設けることで回避することができる。この管の長さは、より高いエネルギーを持った粒子が管の長さに沿ううちに安定でより傷つけにくい原子と化合物を形成するように再結合することを促進するように選ばれる。より反応しにくいFとOのラジカルは、マイクロ波プラズマ源の処理チャンバの下流まで、前記イオンより多くの割合で届く。処理チャンバはプラズマ源の下流に位置しているので、この配置は化学的下流エッチング（CDE）反応炉として知られている。管に曲げを作ることによって、処理チャンバはプラズマを視野に入れる直接的なラインの中に入らず、これによりグロー放電からの有害なUV放射線は基板に届かない。
【０００８】
しかしながら、管それ自体はCDE反応炉にいくつかの制限を配置する。従来、アプリケーターと伝送管はどちらも石英により形成されていた。石英は低いOとFの再結合率を示すところが有利であり、これらの望ましいラジカルが処理チャンバに到達することを許す一方で、プラズマ源で発生したイオンは再結合する。残念ながら、石英はフッ素の侵食を非常に受けやすい。それ故、石英の伝送管と、特に石英のアプリケーターはプラズマの直接接触にさらされ、すぐに劣化し、頻繁に交換されねばならない。石英管を交換するたびに、管そのもののコストを負うだけでなく、より重要なことには、管を交換する間は反応炉を停止させる時間となり、その結果、基板のスループットの低下につながる。
【０００９】
アプリケーターおよび／または伝送管の代替材料としてはサファイア（Al2O3）がある。フッ素の侵食に強い耐性がある一方、サファイアの管には特有の欠点がある。例えば、サファイアの伝送管は石英に較べてずっと高いOとFの再結合率を示し、低アッシュ率につながる。加えて、サファイアはエネルギーを持ったプラズマによって生み出される熱応力によるクラッキング（割れ）を起しやすく、これにより安全に用いることのできるパワーが制限される。プラズマのパワーが低いことはフリーラジカルの発生が少ないことを意味し、これによっても同様にアッシュ率が低くなる。単結晶サファイアを用いることで多結晶サファイアと関係した管の強度はいくらか改善されるが、単結晶サファイアの安全なパワーレベルは、石英の管に対して使用できるレベルと比較してまだ低い。さらに、伝送管の曲げを生み出し、それによりUV放射線が処理チャンバに到達するのを防ぐ、サファイアの区間同士の接続部の結合材は、代表的には石英と同じくフッ素イオンの侵食を受けやすい。
【００１０】
従来のマイクロ波プラズマ発生装置におけるラジカルの発生上の他の制限は、エネルギー結合メカニズムの効率に関している。マグネトロンによって供給されるマイクロ波のパワーの大部分は、導波管を逆流し反射するパワーによって損失され、そこではそのパワーはマグネトロンを保護するように設計されているアイソレータモジュールによって吸収される。
【００１１】
エネルギーはまた、アプリケーターが原料ガスを運び込みフリーラジカルを共振キャビティの外に出す所においても逃げる。プラズマが充たされた管は、マイクロ波のエネルギーがキャビティの外からそれに沿って伝わってくる伝導体として働き、それゆえ効率的にプラズマを拡散させ、プラズマの密度を低減する。プラズマの密度を低減し、それによりラジカルの発生を低減することに加えて、プラズマの拡散は、イオンが残って基板が収容されている処理チャンバまで到達するリスクをも増加させる。マイクロ波トラップは、このようなマイクロ波の漏洩を封じ込めることができる。例えば、Kamarehiらによる「マイクロ波トラップ付プラズマアッシャー」と題された米国特許第５，４９８，３０８号は、共振回路トラップを開示している。しかしながら、このようなトラップを用いても、プラズマは管に沿ってトラップの外側の縁までプラズマ源キャビティの外へ拡がる。それ故に、レジストのアッシュ率を改善するために、より効率の良いマイクロ波発生装置が必要とされる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この必要性を満たすために、マイクロ波周波数のエネルギーとガスを結合させ、ラジカルを下流の処理チャンバへ運ぶ遠隔式プラズマ発生装置が提供される。このプラズマ発生装置は幾つかの特徴を有しており、それは、連結部において高効率のラジカル発生を可能にし、その結果フォトレジストの高アッシュ率を可能にする。このような高アッシュ率は、標準的なフォトレジストと、イオンインプランテーションや反応性イオンエッチングによって作り出されるような化学的により問題となる残留物のどちらに対しても達成することができる。
【００１３】
本発明の観点によれば、強いパワーを、フッ化された化学物質を含むガスの流れと結合させることができる。単結晶で一体型のサファイアアプリケーターと伝送管がフッ素の侵食に対抗する。この管は長くのばすことができひじ継手と共に設置され、イオンの再結合を助け処理チャンバをプラズマ放電により生成されるUV放射線から保護する。
【００１４】
本発明の別の観点によれば、マイクロ波透過冷却液が、パワーが強く高い温度のプラズマ生成を可能にする。あらゆる材料のアプリケーターに対して、実用可能となるパワーを増加させるのに有益であるが、液体による冷却は、応力割れを起しやすいサファイアアプリケーターの連結部において特に有用である。
【００１５】
本発明のさらなる観点によれば、マイクロ波キャビティの終端における、スライディングショートを介しての動的なインピーダンス整合は、反射するエネルギーによるパワーの損失を低減する。同時に、低いプロファイルのマイクロ波トラップがより濃密なプラズマを生み出し、それによりラジカル生成が増加する。
【００１６】
本発明のさらなる別の観点によれば、異なるラジカルが別々に発生させられ、処理チャンバのちょうど上流で混合され、これにより２つの種類のラジカルの発生を個別に最適化することができる。例示した実施形態においては、フッ素ラジカルはサファイアアプリケーターで発生されるのに対し、酸素ラジカルは石英アプリケーターで発生される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
例示する実施形態はレジスト剥離、もしくはアッシングシステムの文脈で述べられているが、当業者であればここで開示されている機器と方法の他のシステムへの応用をすぐに見つけるであろう。半導体産業においては、例えば、プラズマもしくはフリーラジカルの発生は多くの化学的エッチングおよびCVD（Chemical Vapor Deposition）プロセスを補助し促進するために望まれている。これらのプロセスの多くに対して、プラズマの遠隔生成は基板への損傷を有効に回避する。
【００１８】
まず図１を参照して、好ましい実施形態による化学的下流エッチング（CDE）反応炉１０が概略的に示されている。この反応炉１０は処理チャンバ１４の上流にマイクロ波プラズマ発生装置１２を有する。基板１６は、代表的には一枚の半導体ウェハを有するが、チャンバ１４内の台座２０上のチャック１８の上に支持されている。
【００１９】
図１〜４を参照すると、プラズマ発生装置１２はマイクロ波パワー源２２を含んでおり、これは従来のマグネトロンであってもよい。例えば、IllinoisのLaFoxのRichardson Electronicsの商品名NL１０２３０およびNL１０２５０という適切なマイクロ波パワー源を市場で入手可能である。NL１０２３０マグネトロン発生装置は、２，４５０MHzにおいて３，０００W（規格値）のマイクロ波パワーを発生することが可能である。当業者は、他の構成において、パワー源はパワーをガスに結合するために適切な構造であれば何でもよいとすぐに認識するであろう。他のプラズマ発生装置としては、例えば無線周波数のパワーを用いることができ、この場合エネルギーは誘導的または静電的に、イオン化したガスと結合することができる。
【００２０】
例示されているプラズマ発生装置１２は、パワー源２２と隣接してアイソレータモジュール２４をさらに有し、これもまた従来の構成であってよい。この分野において知られているように、アイソレータ２４は反射するパワーをダミー負荷へそらすことで、このような反射するパワーからマグネトロンを保護する。望ましくは、アイソレータ２４は一体的に集積化された方向性結合器を有し、これも、以下で「インピーダンス整合」と題された部分を参照してより詳細に述べるように、マイクロ波エネルギー路に沿ってインピーダンスを整合するために、反射するパワーを測定する。
【００２１】
マイクロ波パワーはアイソレータ２４を通って導波管２６の方向へ指向され、導波管はマイクロ波キャビティ（またはプラズマ源）２８内にのびている。図２から最良に理解されるように、例示されている導波管２６はS字型をしているので、積み重なった構成をとることが可能で、製造フロアの反応炉区域が減少する。導波管は固定されている調整ノブ３０（図１）を有しており、これはマイクロ波エネルギー路（アイソレータ２４、導波管２６およびキャビティ２８を含む）のインピーダンスをパワー源２２のインピーダンスに整合させるために、自動調整モジュール３２と連結して動作する。自動調整モジュール３２は、以下で「インピーダンス整合」と題された部分においてより詳細に述べられる。
【００２２】
ガスの搬送管３４はガス源３６からマイクロ波キャビティ２８を通ってのびている。管３４の軸は導波管の軸を横断するようにのびる。例示されている実施形態においては、ガス源は酸素原料ガス（好適にはO2）、フッ素原料ガス（好適にはCF4またはNF3）、および搬送ガス（好適にはN2）を含む。以下の「単結晶伝送管（Single-Crystal Transport Tube）」と題された部分でより詳細に述べられるように、搬送管３４は上流区間３８、アプリケーター区間４０、および伝送管区間４１を含む。伝送管４１はキャビティ２８と処理チャンバ１４との間に曲げ、もしくはひじ継手４２を有する。
【００２３】
１対のマイクロ波放射障壁４４，４６は、それぞれキャビティ２８のすぐ上流と下流においてアプリケーター４０を取り囲んでおり、マイクロ波エネルギーがキャビティ２８から逃げることを防ぐのに役立っている。放射障壁４４，４６の構造は、以下での「マイクロ波チョーク（Choke）」と題された部分においてより詳細に記述される。
【００２４】
単結晶伝送管
図１を参照すると、これまでに簡単に記してきたように、ガス搬送管３４は３つの区間を含んでいる、即ち、ガス源３６からガスを搬送する上流区間３８と、マイクロ波キャビティ２８を通ってのびているアプリケーター区間４０と、キャビティ２８の下流から処理チャンバ１４へのびている伝送管区間４１である。
【００２５】
動作時には、導波管２６から導かれたマイクロ波パワーは、管３４のアプリケーター部４０（キャビティ２８内）を通って流れているガスと結合され、ガスを励起しプラズマを着火させる。アプリケーター４０は、キャビティ２８のすぐ隣の区間と同じくキャビティ２８内にも管３４の一部を含んでおり、プラズマ放電の強いエネルギーの粒子に直接さらされ、上流部よりもより早く、下流部よりもわずかに早く劣化する。管３４の上流区間３８はプラズマ放電にさらされずそれ故早くは劣化しないので、上流区間３８は好適には従来のステンレス鋼のガス管であり、アプリケーター４０を交換すべき時にも交換される必要がないように、アプリケーター４０とは別に設置される。
【００２６】
例示されている実施形態においては、フッ素と酸素の原料ガスが両方アプリケーター４０に供給されており、多種のイオンおよび電子と同じようにOとFが発生されている。先の従来技術の部分で記したように、フッ素は石英管に対して著しい腐食性がある。それ故、アプリケーター４０はフッ素の侵食に対抗するためにサファイアで構成されることが好ましい。より好ましくは、アプリケーター４０は、プラズマにさらされることにより発生する応力に抵抗するために優れた物理的強度を提供する、単結晶サファイアで形成される。
【００２７】
先の従来技術の部分で述べたように、搬送管３４の伝送区間４１の長さは、励起されたガスが処理チャンバ１４に導かれる前にイオンが再結合するように選ばれる。好適には、マイクロ波キャビティ２８から処理チャンバ１４までの伝送区間４１は少なくとも約５インチ（１２．７cm）の長さであり、より好適には少なくとも約１０インチ（２５．４cm）であり、例示されている本実施形態においては約１４．５インチ（３６．８cm）である。アプリケーター４０と伝送区間４１の合計の長さは、例示されている本実施形態においては約２１．５インチ（５２．７cm）である。しかしながら、当業者は、別の方式によってイオンの含有量が低くなった場合には、より短い長さの伝送管を用いてもよいことを理解するであろう。
【００２８】
伝送区間４１は、図７を見ると最良に理解されるように、好適には曲げもしくはひじ継手４２を有し、これによりキャビティ２８内のグロー放電と処理チャンバ１４との間が直接的に視野に入ることが回避される。好適には、曲げ４２は少なくとも３５°の角度で定義され、より好適には約４５°より大きい。例示されている本実施形態においては、曲げ４２は９０°、即ち直角である。基板１６はそれ故、グロー放電により放出される有害なUV光子から保護される。
【００２９】
伝送管４１は励起されたフッ素類を含む、エネルギーを有するプラズマの生成物にもさらされるので、この区間もまたサファイア、より好適には単結晶サファイアにより形成されることが好ましい。加えて、伝送管４１はアプリケーター管４０と一体的に形成されることが好ましい。
残念ながら、サファイアの結晶の品質は、管の長さが１２インチを超えると品質が下がる傾向にある。先に記したように、長い長さのサファイア管の合成結晶構造は、強いパワーで高い温度のプラズマにさらされたときに応力割れを起しやすい。伝送管区間４１内にひじ継手を形成することが望ましいことからも、単結晶サファイアでできた少なくとも２つの区間を接合することが必要づけられる。しかしながら、代表的な結合材はフッ素とは相容れなく、そのためこのような結合材を用いることはサファイア管の利点を打ち消すことになるであろう。
【００３０】
以上のことから、例示された伝送管４１とアプリケーター４０は単結晶サファイアの区間として設置され、フッ素の侵食を受けやすい結合材を使うことなく、ひじ継手４２において結合される。特に、区間４０と４１は、Eutectic Bonding of Single Crystal Componentsと題された、１９９８年１２月１７日に公表されたPCT公表番号WO ０９ ８５６ ５７５（以下、「PCT出願」）において開示されているような、共晶結合によって結合される。PCT‘５７５出願公表の開示が、ここで参考されて一体化される。PCT出願‘５７５番の方式であらかじめ結合された単結晶区間は、New HampshireのMilfordのSaphikon, Incから手に入れることができる。
【００３１】
アプリケーター冷却システム
単結晶サファイアを用いることは、フッ素の侵食に対する耐性と多結晶サファイアより大きい強度を提供する。従って、アプリケーター４０と伝送管４１を一体化したものとして供される単結晶サファイアは、インプランテーション後のアッシングなどに適用されたときのフッ素の侵食に対抗すると同時に、比較的強いパワーでのガスへの結合を可能にする。
【００３２】
強いパワーでのガスへの結合は、Oおよび／またはFラジカルの生成率を望ましく増加させ、これによりアッシュ率が増加する。しかしながら、強いパワーのプラズマ中で生み出された運動エネルギーは、負の効果も同様にもたらす。キャビティ２８内での、エネルギーを与えられた粒子同士の衝突は、アプリケーター４０の温度を高め、管に熱応力を生み出す。単結晶サファイアは多結晶サファイアに較べてこのような応力により耐性があるとはいえ、石英と比較するとまだ強いパワーで高い温度での稼動下では応力割れすることがある。その上、アプリケーター４０の温度が高いと分離した粒子の再結合が促進される。イオンと電子の再結合は望ましいが、フリーラジカル（F，O）の再結合は逆効果である。
【００３３】
従って、好ましい実施形態はアプリケーター４０に冷却機構を用いており、これによりアプリケーター４０内での動力学的に誘導される再結合が低減される。伝送管４１を長くすることが、アプリケーター４０内でイオンの再結合が低減されることを埋め合わせる。エネルギーを持ったイオンは、伝送管４１の長さを通してラジカルより大きな割合で再結合し、付加的な静電的反応によりこのような再結合が促進される。同時に、アプリケーター４０を冷却すると、許容されている熱応力に対してより高いパワーを利用することができる。サファイアアプリケーターの場合には特に、冷却機構はフリーラジカルの発生効率を加速すると同時に、応力割れの発生を低減する。
【００３４】
図７および図８を参照すると、冷却ジャケット５０は搬送管３４のアプリケーター区間４０を取り囲んでいる。ジャケット５０とアプリケーター４０との間の空隙は、冷却剤流体で充たされている。有利なように、この流体は流体入口５２（図７）から入り流体出口５４（図８）から出ていくことでジャケット５０を通って循環している。入口５２と出口５４は、流体が周囲を循環しやすくなるように、互いが９０°をなすように配置されている。冷却ジャケット５０は、図示されるように好適にはマイクロ波キャビティ２８の上流と下流でのびる。
【００３５】
望ましくは、ジャケット５０と冷却流体はどちらもマイクロ波透過材料から成り、これによりジャケットと冷却剤により直接吸収されるのと比較して、アプリケーター４０内でのマイクロ波エネルギーのガスへの結合が最大化される。冷却剤ジャケット５０は好適には石英から成る。
【００３６】
冷却剤流体は水素（H）含有量が最小となるように選ばれる。水素はマイクロ波エネルギーを容易に吸収する。好適には冷却剤は水素を一切含まず、例示されている好ましい実施形態においては、過フッ素で不活性な熱伝達流体から成る。このような流体は、商品名Galden（登録商標）としてPennsylvaniaのClairtonのKurt J. Lesker Companyから入手することができる。有利なことには、この液体冷却剤は、異なる沸点を有する複数の組成で入手することができる。それ故、マイクロ波プラズマ発生装置を稼動するために望ましいパラメータに依存している、マイクロ波アプリケーターを冷却するために、最も適切な組成を選ぶことができる。
【００３７】
従って、アプリケーター４０内で望ましいラジカルが再結合することはアプリケーター４０を液体冷却することで低減される。その上、より大きなパワーが、アプリケーター４０に損傷を与えることなくガスと結合できる。例示されている実施形態においては、パワー源２２は通常の稼動条件（つまり、複数枚のウェハからフォトレジストを連続的にアッシングする際、連続的または断続的に稼動する）下で、サファイアアプリケーター４０に応力割れを誘発することなく、フルパワー（約３，０００W）で稼動することが可能である。許容できるパワーが改善され、それにより効率的にラジカルが生成されることを、石英アプリケーターにも当てはめることができるということは理解されるであろう。石英アプリケーターは一般的に、フッ素化されていない化学物質に対してはより望ましい。稼動可能なパワーレベルは、流体冷却付の石英アプリケーターに対しては相当高くなることは理解されるであろう。
【００３８】
より低くはあるが、副産物として、下流の伝送管４１もまたプラズマへさらされることにより加熱される。しかしながら、下流の管はグロー放電により直接接触はされない。従って、伝送管４１を液体冷却するよりも、好ましい実施形態においては、図２〜４および６に示すように、管の周りに絶縁された囲い板５６を設置すると、作業者に対するやけどの危険を低減することができる。好適には、囲い板を通る、ファンからの直接的な風が、対流によって伝送管４１を冷却する。
【００３９】
インピーダンス整合
図１〜３を参照すると、パワー源２２によって発生されたマイクロ波エネルギーは、アイソレータ２４、導波管２６およびマイクロ波キャビティ２８を含むエネルギー路を通って伝播される。エネルギー路の様々な区間のインピーダンスは、反射するパワーによるエネルギー損失を避けるために近くまで一致するべきである。注意深くインピーダンス整合を行うことによって、定在波もしくは共振状態がマイクロ波導波システム２６，２８内で生み出され、そこではパワーが、アプリケーター４０を通って流れるガスと結合される。パワー源はアイソレータ２４によって、反射するエネルギーから保護されているが、アイソレータ２４中のダミー負荷によって吸収された反射するエネルギーは、吸収されていなければラジカル発生に利用可能であった浪費パワーを表している。
【００４０】
インピーダンス整合は、マイクロ波が伝播する媒体に種々の組成があるという事実により複雑になる。マイクロ波キャビティ２８を通るガスの密度および導電率は、処理方法が異なると変化する。反応炉は代表的には半導体製造業者によって同じ方法に対して繰り返し利用されるので、インピーダンス整合は代表的には与えられた処理方法に対して行われる。導波管２６（キャビティ２８を含む）のインピーダンスを調整することは、従って、処理方法が変わったときと同じく、反応炉が最初に製造を開始したときにも必要である。
【００４１】
導波管２６のインピーダンスを調整する一般的な方法は、導波管２６内で３つの調整ノブを用いることである。これらの電導体の突出量を、エネルギー伝播軸に沿った３つの異なる場所で導波管２６を横断して横切るように調整することで、導波管２６のインピーダンスをアイソレータ２４およびパワー源２２のインピーダンスと整合させることができ、これにより与えられた処理方法に対して、反射するパワーが最小化される。このインピーダンス整合の方式は、３スタブ同調器として知られる。反射するパワーを最小化するのに効果的である一方で、３スタブ同調器は高価である。
【００４２】
しかしながら、好ましい実施形態においては、導波管２６内の固定されている調整ノブ３０（図１）と図８に示されるスライディングショート６０との組み合わせによってインピーダンス整合は制御される。調整ノブ３０は、好適には大まかな調整のために工場であらかじめ設定される一方で、スライディングショート６０はインピーダンス整合を動的に微調整する。
【００４３】
スライディングショート６０は自動調整モジュール３２内のモータアクチュエータ６２によって駆動される。スライディングショート６０はマイクロ波キャビティ２８の壁を横断してのびる導管を有しており、それ故、キャビティ２８に対して移動可能な端壁を提供する。スライディングショート６０の位置は、導波管２６（マイクロ波キャビティ２８を含む）のインピーダンスがアイソレータ２４のインピーダンスと近くまで一致するところまで変えることができ、その点においてはキャビティ２８内で共振状態が達成される。その上、導波管２６内の３スタブ同調器の横断的な動きの代わりに、エネルギー伝播軸に沿ってスライディングショート６０を調整することは、エネルギーとアプリケーター４０を通って流れるガスとの結合を最適化するために定在波パターンを調整することを容易にする。
【００４４】
さらに、名前が意味するように、自動調整器３２は閉ループ制御によって動的にインピーダンスを整合する。反射するパワーはアイソレータモジュール２４（図１〜３）において継続的に計測され、電子制御器（図示せず）に信号を送信する。制御器は、今度はモータアクチュエータ６２に信号を送信し、これがスライディングショート６０を駆動する。スライディングショート６０が動いた後で、反射したパワーの変化が制御器によって認識され、制御器はそれからさらにスライディングショート６０の位置を調整する、ということが、反射するパワーが最小化されるまで続けられる。
【００４５】
例示された実施形態においては、スライディングショート６０は最初は、キャビティ２８を通るアプリケーター４０の中心から、（導波システム内で測定されたものとしての）マイクロ波エネルギーの波長の１／２の所に位置している。この位置においては磁界が最大であり、一般的に電界の強さが低いことから、下流でのイオンの加速が低減される。必要であるならば、ショート６０は初期着火のためにマイクロ波エネルギーの波長の１／４のところに移動し、プラズマが根本から自己発火するようになった後で１／２波長のところに移動することができる。モータアクチュエータ６２は、好適にはこの初期位置から、約０．２５インチ（０．６３５cm）、より好適には約０．５インチ（１．２７cm）、例示された実施形態においては、スライディングショート６０は約０．７５インチ（１．９１cm）まで、初期（１／２波長）位置のどちらの側にも移動可能である。別の実施形態においては、インピーダンス整合を完全に調整可能とするために、アクチュエータ６２は初期位置からどちらの側へも１／２波長（±１．７インチ（４．３２cm））までずらすことが可能である。自動調整モジュール３２は、スライディングショート６０の移動し過ぎを防ぐために、光学センサをさらに有する。上記の配置（ショート６０をアプリケーターの中心からλ／２のところに置く）は反射するパワーを最小化するだけでなく、アプリケーター内のマイクロ波の磁界の強さを最大化することもわかっている。
【００４６】
インピーダンス整合の動的な閉ループ制御はこのようにして１つの処理方法での稼動におけるパラメータの変動を順応させる。加えて、自動調整は種々の処理方法を順応させる。例えば、図９〜１１は、パワー源の出力、総ガス流量およびガス圧力の違いを含む、様々なプロセスパラメータに対する反射するエネルギーの影響を示している。構成ガスの組成のような他のプロセスパラメータもまた反射するパワーに影響を与えることは理解されるであろう。例示されているように、動的もしくは理想的なインピーダンス整合は、固定した調整と相対的に、異なる処理方法に対して手動で調整を行うことに対して要求される停止時間なしに、反射するパワーから損失を低減する。このような自動調整は新しいプロセスの研究開発に対して特に有利であり、新しいプロセスにおいては最適化のために多くの異なったプロセスを試験することが望ましい。
【００４７】
マイクロ波チョーク
図１を参照すると、自動調整モジュール３２がパワー源２２へと反射して戻ってゆくパワーを最小化はするが、インピーダンス整合は、そこを通ってアプリケーター４０が上流と下流にのびてゆくキャビティ２８内の開口部からマイクロ波が漏れる可能性については述べていない。このような漏れは前記の従来技術の部分で述べた種々の理由により不都合であり、Kamarehiらの米国特許第５，４９８，３０８号が、「マイクロ波トラップ付プラズマアッシャー」（以後「‘３０８号特許」）と題されている。‘３０８号特許の開示がここで参照されて一体化される。
【００４８】
それ故、この漏れを最小化するために、好ましい実施形態は上流のマイクロ波チョーク（または放射障壁）４４および下流のマイクロ波チョーク（または放射障壁）４６を備えている。図４〜８はこれらの放射障壁４４，４６を、マイクロ波キャビティ２８と搬送管３４との関係、特に搬送管３４のアプリケーター区間４０との関係において示している。
【００４９】
図１２は放射障壁４６単独を示している。図に示されているように、放射障壁４６は内部導管７０、外部導管７２、および誘電性媒体７４を有する。これら各構成要素は長方形（図６の分解図を見よ）であり、マイクロ波キャビティ２８のちょうど外側のアプリケーター４０を取り囲んでいる。組み立てられた時には、内部および外部導管７０，７２は誘電性媒体７４で充たされたチョークキャビティを規定し、このチョークキャビティの末端において内部および外部導管７０，７２の間にギャップ、あるいは開口部７５を有する。
【００５０】
内部導管７０と外部導管７２は、対象としているマイクロ波エネルギーの波長の１／４の電気的長さを持つように選ばれた同軸導管を規定する。例えばRamo, WhinneryおよびVan Duzerの“Fields and Waves in Communication Electronics”の４６ページの表１．２３（これ以後「Ramoら」）に開示されているように、理想的な１／４波長線路のインピーダンスは下記の公式で与えられる。
【００５１】
【数１】
【００５２】
ここでZは同軸線路のインピーダンスであり、Z0は電磁波が伝わっていく媒体の特性インピーダンスを表し、ZLは負荷インピーダンスを表している。例示されている実施形態においては、同軸線路は内部導管７０と外部導管７２を横切って内部端７６において短絡される。短絡された線路の負荷インピーダンスZLは理想的にはゼロなので、マイクロ波キャビティ２８からチョーク４６の末端へ向かって伝播するマイクロ波エネルギーは、特性インピーダンスZ0にかかわらず、チョークキャビティの開口部７５において無限大に近づくインピーダンスと遭遇することになる。
【００５３】
開放端で、短絡されている１／４波長同軸線路のインピーダンスが高いことは、同じくRamoらによって開示されている
【００５４】
【数２】
【００５５】
という、短絡された線路のインピーダンスのための公式を使って、代わりに示すことができる。位相定数βは２π／λに等しく、線路lの長さは１／４波長、即ちλ／４となるように選ばれる。これらの値を上記の公式に代入すると、tanの項（tanβl）はtan（π／２）となり、これは無限大に近づく。
【００５６】
再度図１を参照すると、高いインピーダンスのマイクロ波チョーク４４，４６がチョークキャビティの開口部７５を通過するマイクロ波の漏洩を制限する一方で、エネルギーはまだ内部導管７０に沿ってチョークの開口部７５まで伝播する。エネルギーはこのようにこの点までアプリケーター４０内でガスと結合し続け、マイクロ波キャビティ２８の閉止を越えて、キャビティ２８の上流と下流の両方で拡大する。このようなプラズマの拡大は多くの理由により不都合である。先に記したように、キャビティ２８の下流でのプラズマの拡大は、エネルギーを持ったイオンおよび／またはプラズマのグロー放電によるUV放射線が処理チャンバ１４に届く可能性を増加させる。その上、プラズマの拡大は不都合なことにプラズマ密度を低下させる。当業者には分かるように、プラズマ密度を増加させることは、与えられたパワーの入力に対してフリーラジカルをより効率的に発生させることを促進する。
【００５７】
従って、誘電性媒体７４は高い誘電率を持つように選ばれる。空気（誘電率＝１）に対する定数においては、例示されている誘電性媒体７４は好適には少なくとも約３．０、より好適には約５以上の誘電率を有する固体により構成されており、例示されている実施形態においては約９のものを有している。例示されている実施形態の代表的材料はセラミック、より好適にはEmerson ＆ Cumingから入手可能なStycast（登録商標）HiKにより成る。
【００５８】
マイクロ波は、高誘電性媒体７４内で導管の表面を伝わってくる。即ち、チョークキャビティの内部に沿って伝わる。それ故、代表的なセラミック中の１／４波の絶対距離は空気中の１／４波の絶対距離（２，４５０MHzにおけるマイクロ波エネルギーに対して約１．２インチ（３．０５cm））よりもずっと短い。例示されている実施形態においては、セラミックを通過する１／４波は約０．４インチ（１．０２cm）の絶対距離に換算される。なぜなら、１／４波の長さは媒体の誘電率の２乗根に比例するからである。
【００５９】
キャビティ２８内で発生されるプラズマとチョークキャビティの開口部へ出ていく漏れの有効容積が、このように誘電性媒体７４の誘電率を増やすことで低減される。その結果、プラズマの密度が、与えられたパワー入力に対して改善され、ラジカル発生の効率が改善される。ラジカル発生が改善されると、その次には、例示されているプラズマアッシュ反応炉においてアッシュ率が増加することになる。
【００６０】
分離プラズマ源
図１３〜１５は、本発明の第２の実施形態に従って構成されたプラズマアッシュ反応炉１００を示している。反応炉１００は好適には１つかそれ以上、より好適には本発明のこれまで述べてきた特徴を全て含むことが理解されるであろう。反応炉１００は先に述べた実施形態の特徴と類似的もしくは同一となる多くの特徴を含んでいるので、類似する特徴は数字１００を加えた参照数字で参照する。例示されている反応炉は第１の処理チャンバ１１４と第２の処理チャンバ１１５を有する。２つのチャンバ１１４と１１５は同一の構造であるので、本説明においては第１のチャンバ１１４とそれに関連するプラズマ発生装置に焦点を当てる。
【００６１】
チャンバ１１４は２つのプラズマ発生装置１１２および１１２’を有しており、それらの各々は（以下に示す特別な差異と、）これまで示してきたものと類似の構造を有することができる。２つのプラズマ発生装置１１２，１１２’のそれぞれは、図示されているように、発生されたラジカルを伝送管１４１，１４１’を介して第１の処理チャンバ１１４に導く。各発生装置からのフリーラジカルは、処理チャンバ１１４への導入の前に、攪拌チャンバ１４５において混合される。
【００６２】
図１３および図１４を参照すると、２つの発生装置１１２および１１２’のマイクロ波キャビティ１２８および１２８’は互いに横切っていることがわかる。この配置は反応炉の骨格構造内においてモジュールを隙間なく詰め込むことを可能にし、クリーンルームフロア上の区域を抑制することが可能である。
【００６３】
図１４および図１５を参照すると、伝送管１４１，１４１’はそれぞれ射出装置１４７，１４７’を介して攪拌チャンバ１４５と通じている。有利なことには、射出装置１４７，１４７’は攪拌チャンバ１４５の周囲の接線方向に近いところにラジカルを射出するように構成されており、それ故２つの異なるプラズマ源１２８，１２８’からのラジカルの混合を促進する。最も好適には、射出装置１４７，１４７’は向かい合った位置関係で射出し、時計回りや反時計回りで渦を作りだし、各プラズマ源１２８，１２８’からの反応種の混合を手助けする。
攪拌チャンバ１４５および射出装置１４７，１４７’の内壁は好適には陽極処理アルミニウムにより構成されるが、表面の滑らかさを改善するために研磨サファイアにより構成してもよい。どちらの場合においても、チャンバ１４５は好適にはサファイア（Al2O3）としての同じ化学的組成を有し、これはフッ素の侵食に対抗するのに有利に働く。攪拌チャンバ１４５は低いプロファイルを有しており、好適には高さが約１．０インチ（２．５４cm）よりも低く、より好適には約０．５インチ（１．２７cm）より低く、例示されている実施形態においては約０．２２インチ（０．５６cm）の高さである。低いプロファイルはラジカルに対する少ない壁面を提供し、それゆえフリーラジカルの再結合が低減される。
【００６４】
図１５に示されているように、攪拌チャンバ１４５は床部に比較的小さな中央窓１４９を有しており、この窓は第１のパーフォレーションのあるバフル板１５１の上に定められている第１のプレナムチャンバ１５３に向かって開いている。第１のバフル板１５１の下にある第２のバフル板１５５が、バフル板１５１，１５５間の第２のプレナムチャンバ１５７を定めている。第２のバフル板は第１のバフル板１５１のパーフォレーションと相対的にずれて配置されているパーフォレーション（図示せず）を有している。バフル板１５１，１５５は連帯して、フリーラジカルをその下にある処理チャンバ１１４に均一に運ぶことを保証する。
【００６５】
分離しているプラズマ発生装置１１２，１１２’は、有利なことに異なった化学物質に対して個々に最適化することを可能にする。例えば、アプリケーターおよび伝送管として使用される材料は、個々に有利な点と不利な点を持っており、１つの材料はある処理方法に向き、別の材料は別の処理方法に向くという傾向がある。先に述べたように、サファイアは有利な点としてフッ素の侵食に耐性を示す。しかしながら、サファイアの不利な点は、フリーラジカルの望ましくない再結合を示すことである。以下の表は、例として、種々の材料の再結合係数（γ）を示したものである。
【００６６】
【表１】
【００６７】
上記の表は、サファイアは望ましいラジカルが再結合することを、石英の約９倍示すということを表している。それ故、フッ素の侵食に対抗するには望ましくとも、サファイアはラジカルを処理チャンバへ運ぶ効果を著しく下げる。
【００６８】
従って、例示されているデュアルプラズマ源反応炉１００においては、第１のプラズマ発生装置１１２は単結晶サファイアの一体型アプリケーター１４０と伝送管１４１を有し、フッ素ラジカル発生のために最適化される。それ故、サファイア管はフッ素の侵食に対抗する。第２のプラズマ発生装置１１２’は石英のアプリケーター１４０’と伝送管１４１’を有し、酸素ラジカル発生のために最適化される。それ故、石英管はサファイアと較べて酸素ラジカルの望ましくない再結合を最小化し、同時にサファイアよりも強いパワーと高い温度のプラズマ生成に対抗する。
【００６９】
従って、酸素ラジカル生成は、フッ素の腐食によって負担されるプラズマ発生上の制限を受けることがなく、フッ素と酸素のラジカルの両方が処理チャンバ１１４に導かれる。その上、もしフォトレジストのアッシングが半導体製造の最終段階において望まれているならば、レジストがイオンによってインプランテーションされていない段階では、フッ素プラズマ発生装置１１２は停止することができ、酸素プラズマ発生装置だけを稼動させることができる。同様に、フッ素エッチングだけが望まれているところでは、酸素プラズマ発生装置１１２’は停止することができる。
【００７０】
当業者は、本開示の観点から、このデュアルプラズマ源反応炉の他のプラズマまたはラジカル補助プロセスへの応用を容易に察知するであろう。このような他の構成においては、上述したアプリケーター管の材料、原料ガスおよびパワーレベル以外にいくつかの特徴を独立に最適化することが望ましい。
【００７１】
図１６は、上述の特徴により得られた非常に高いプラズマアッシュ率と均一性を示している。図示されているように、好ましい実施形態は、Shipley製レジストにおいて約２％かそれより小さい非均一性で約６μm／minより大きいアッシュ率を達成することができ、住友製レジストにおいて約２．５％かそれより小さい非均一性で約８μm／minより大きいアッシュ率を達成することができる。
【００７２】
上述の発明はある好ましい実施形態の見地から記述されているが、他の実施形態も、ここに開示されている分野の技術に属する通常の技術を有する者には明らかであろう。従って、本発明は、好ましい実施形態を詳述することによって制限されることを意図しているのではなく、添付の請求項の参照として単に規定されることを意図している。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、半導体プロセスにおけるプラズマ発生装置でのラジカル発生の効率を向上させ、半導体基板のアッシュ率を改善し、基板のスループットを増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の好ましい実施形態に従って構成された、遠隔式マイクロ波プラズマ発生装置が一体化した半導体反応炉の概略図である。
【図２】 図２は好ましい実施形態に従って構成されたプラズマ発生装置の、正面右上方斜視図である。
【図３】 図３は図２のプラズマ発生装置の正面左上方斜視図である。
【図４】 図４は図３のプラズマ発生装置のサブシステムを示している。
【図５】 図５は図４のサブシステムの正面右上方斜視図であり、搬送管から保護シースを取り外して示している。
【図６】 図６は図４のサブシステムの分解図であり、図５の角度から見ている。
【図７】 図７はサブシステムの横断面図であり、図４の線７-７に沿って見ている。
【図８】 図８はサブシステムの上下断面図であり、図４の線８-８に沿って見ている。
【図９】 図９は、マイクロ波発生装置のパワー対反射するパワーを、固定した調整と動的にもしくは理想的に調整されたインピーダンス整合の両方の場合に対して示したグラフである。
【図１０】 図１０は、総ガス流量対反射するパワーを、固定した調整と動的にもしくは理想的に調整されたインピーダンス整合の両方の場合に対して示したグラフである。
【図１１】 図１１は、ガス圧力対反射するパワーを、固定した調整と動的にもしくは理想的に調整されたインピーダンス整合の両方の場合に対して示したグラフである。
【図１２】 図１２は図４のサブシステムの要素の縦断面図であり、低いプロファイルの同軸マイクロ波チョークを含んでいる。
【図１３】 図１３は、本発明の第２の実施形態に従って構成された、プラズマ発生装置が２個一体化した半導体反応炉の背面右斜視図である。
【図１４】 図１４は図１３の反応炉の背面立面図である。
【図１５】 図１５は図１３の線１５-１５に沿って見た縦断面図である。
【図１６】 図１６は、好ましい実施形態のプラズマ発生器を用いたアッシュ率と均一性を示した２つのグラフである。
【符号の説明】
１０…化学的下流エッチング反応炉、１２，１１２，１１２’…マイクロ波プラズマ発生装置、１４，１１４，１１５…処理チャンバ、１６…基板、２２…マイクロ波パワー源、２４…アイソレータモジュール、２６…導波管、２８，１２８，１２８’…マイクロ波キャビティ（プラズマ源）、３０…固定されている調整ノブ、３２…自動調整モジュール、３４…搬送管、３６…ガス源、４０，１４０，１４０’…アプリケーター、４１，１４１，１４１’…伝送管、４２…曲げ（ひじ継手）、４４，４６…マイクロ波放射障壁、５０…冷却ジャケット、６０…スライディングショート、６２…アクチュエータ、７０…内部導管、７２…外部導管、７４…誘電性媒体、１４５…攪拌チャンバ、１４７，１４７’…射出装置、１５１，１５５…バフル板、１５３，１５７…プレナムチャンバ
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に半導体プロセス設備としての遠隔式プラズマ発生装置に関し、特にフォトレジストをアッシングまたは剥離し、半導体基板から重合体の残留物を除去するためのマイクロ波パワーのプラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路を製造する際には、フォトレジストを半導体基板上の全面にコーティングし、現像光に対する選択式露光と、現像または未現像のどちらかの部分を除去することでパターンニングする。パターンニングされたレジストはマスクを形成し、そのマスクはマスクの穴を通してエッチングすることでパターンをその下にある酸化物や金属の層に拡げるために用いられる。マスクはまた、イオンインプランテーションにより基板の領域に選択的に不純物をドープするのに共通に用いられる。マスクが用いられた後は、マスクは代表的には酸化プロセスにより除去される。この酸化させるプロセスは、工業的にはレジストの「剥離」または「アッシング」として参照されている。
【０００３】
スループットを増加させることが半導体産業、特に現代の枚葉式ウェハ処理における基本目的である。枚葉式ウェハ処理システムにおいて、各基板を連続的に処理するために必要とされる時間を何らかの方法で低減することは、競争の激しい工業において重大なコスト削減につなげられる。レジスト剥離の場合には、処理率は反応性酸素フリーラジカルを基板に供給することで高めることができる。例えば、２原子の酸素ガス（O2）のような酸素含有ガスの分解は、酸素フリーラジカルとしても知られる１原子の酸素（O）を生じさせる。
【０００４】
フッ素をNF3，CF4，SF6もしくはフッ素フリーラジカル（F）の形態で添加することは、レジストの化学的性質が前の処理で複雑になっている剥離プロセスをしばしば助ける。例えば、マスクを通して半導体基板に不純物を電気的にドープするのに用いられたりしたときのように、イオンインプランテーションを受けたフォトレジストを除去することは困難である。同様に、レジストマスクを通しての反応性イオンエッチング（RIE）は、特に金属がエッチング中に露光される場合には重合体の残留物を形成しやすく、この重合体の残留物も酸化だけでは除去は困難である。これらの各状況において、フッ素化合物を適用することは、基板からレジストおよび残留物を洗浄する手助けとなる。フッ素はまた他の洗浄、またはエッチングステップにおいても共通に用いられる。
【０００５】
酸素（および／またはフッ素）フリーラジカルの発生を最大化することは、レジストを剥離することができる割合によい影響を与え、それ故基板のスループットを増加させる。このようなフリーラジカルは一般的に、マイクロ波パワー源からのエネルギーを酸素含有ガスに結合させることで生成される。遠隔式マイクロ波プラズマ発生装置は、マグネトロン内で生成されたマイクロ波のエネルギーを導波管を通じて共振キャビティまたは「アプリケーター」に導く。そこではそのエネルギーが、キャビティを通って流れるガスに結合される。ガスが励起されると、それにより酸素フリーラジカル（O）が形成される。フッ素フリーラジカル（F）は同様に、フッ素原料ガスが前記ガスの流れに加えられたときに形成される。一般的な原料ガスはOを供給するためにO2を含み、Fを供給するためにNF3，CF4，SF6またはC2F6を含む。窒素（N2）または形成ガス（N2/H2）が、粒子の運動量を増加させるためにしばしば前記流れに加えられ、それによりラジカルの発生効率が改善される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロ波ラジカル発生装置はアッシュ率に重大な改善をもたらすことができる一方で、従来の技術は何かしらの制限を残している。マイクロ波パワーによって生成されたプラズマは、例えば、高いエネルギーを持ったイオン、電子、ならびにフリーラジカル（例えばO，F，Nなど）等を含む。OとFのフリーラジカルは基板からレジストを剥離し洗浄するのに必要とされるのに対し、プラズマの他の組成成分が直接接触すると、基板および処理チャンバを損傷しうる。その上、プラズマは紫外（UV）放射線を放射し、これもまた基板の構造に有害である。
【０００７】
プラズマと処理チャンバとの間の直接接触は、マイクロ波キャビティもしくはアプリケーターと処理チャンバとの間に伝送管を設けることで回避することができる。この管の長さは、より高いエネルギーを持った粒子が管の長さに沿ううちに安定でより傷つけにくい原子と化合物を形成するように再結合することを促進するように選ばれる。より反応しにくいFとOのラジカルは、マイクロ波プラズマ源の処理チャンバの下流まで、前記イオンより多くの割合で届く。処理チャンバはプラズマ源の下流に位置しているので、この配置は化学的下流エッチング（CDE）反応炉として知られている。管に曲げを作ることによって、処理チャンバはプラズマを視野に入れる直接的なラインの中に入らず、これによりグロー放電からの有害なUV放射線は基板に届かない。
【０００８】
しかしながら、管それ自体はCDE反応炉にいくつかの制限を配置する。従来、アプリケーターと伝送管はどちらも石英により形成されていた。石英は低いOとFの再結合率を示すところが有利であり、これらの望ましいラジカルが処理チャンバに到達することを許す一方で、プラズマ源で発生したイオンは再結合する。残念ながら、石英はフッ素の侵食を非常に受けやすい。それ故、石英の伝送管と、特に石英のアプリケーターはプラズマの直接接触にさらされ、すぐに劣化し、頻繁に交換されねばならない。石英管を交換するたびに、管そのもののコストを負うだけでなく、より重要なことには、管を交換する間は反応炉を停止させる時間となり、その結果、基板のスループットの低下につながる。
【０００９】
アプリケーターおよび／または伝送管の代替材料としてはサファイア（Al2O3）がある。フッ素の侵食に強い耐性がある一方、サファイアの管には特有の欠点がある。例えば、サファイアの伝送管は石英に較べてずっと高いOとFの再結合率を示し、低アッシュ率につながる。加えて、サファイアはエネルギーを持ったプラズマによって生み出される熱応力によるクラッキング（割れ）を起しやすく、これにより安全に用いることのできるパワーが制限される。プラズマのパワーが低いことはフリーラジカルの発生が少ないことを意味し、これによっても同様にアッシュ率が低くなる。単結晶サファイアを用いることで多結晶サファイアと関係した管の強度はいくらか改善されるが、単結晶サファイアの安全なパワーレベルは、石英の管に対して使用できるレベルと比較してまだ低い。さらに、伝送管の曲げを生み出し、それによりUV放射線が処理チャンバに到達するのを防ぐ、サファイアの区間同士の接続部の結合材は、代表的には石英と同じくフッ素イオンの侵食を受けやすい。
【００１０】
従来のマイクロ波プラズマ発生装置におけるラジカルの発生上の他の制限は、エネルギー結合メカニズムの効率に関している。マグネトロンによって供給されるマイクロ波のパワーの大部分は、導波管を逆流し反射するパワーによって損失され、そこではそのパワーはマグネトロンを保護するように設計されているアイソレータモジュールによって吸収される。
【００１１】
エネルギーはまた、アプリケーターが原料ガスを運び込みフリーラジカルを共振キャビティの外に出す所においても逃げる。プラズマが充たされた管は、マイクロ波のエネルギーがキャビティの外からそれに沿って伝わってくる伝導体として働き、それゆえ効率的にプラズマを拡散させ、プラズマの密度を低減する。プラズマの密度を低減し、それによりラジカルの発生を低減することに加えて、プラズマの拡散は、イオンが残って基板が収容されている処理チャンバまで到達するリスクをも増加させる。マイクロ波トラップは、このようなマイクロ波の漏洩を封じ込めることができる。例えば、Kamarehiらによる「マイクロ波トラップ付プラズマアッシャー」と題された米国特許第５，４９８，３０８号は、共振回路トラップを開示している。しかしながら、このようなトラップを用いても、プラズマは管に沿ってトラップの外側の縁までプラズマ源キャビティの外へ拡がる。それ故に、レジストのアッシュ率を改善するために、より効率の良いマイクロ波発生装置が必要とされる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この必要性を満たすために、マイクロ波周波数のエネルギーとガスを結合させ、ラジカルを下流の処理チャンバへ運ぶ遠隔式プラズマ発生装置が提供される。このプラズマ発生装置は幾つかの特徴を有しており、それは、連結部において高効率のラジカル発生を可能にし、その結果フォトレジストの高アッシュ率を可能にする。このような高アッシュ率は、標準的なフォトレジストと、イオンインプランテーションや反応性イオンエッチングによって作り出されるような化学的により問題となる残留物のどちらに対しても達成することができる。
【００１３】
本発明の観点によれば、強いパワーを、フッ化された化学物質を含むガスの流れと結合させることができる。単結晶で一体型のサファイアアプリケーターと伝送管がフッ素の侵食に対抗する。この管は長くのばすことができひじ継手と共に設置され、イオンの再結合を助け処理チャンバをプラズマ放電により生成されるUV放射線から保護する。
【００１４】
本発明の別の観点によれば、マイクロ波透過冷却液が、パワーが強く高い温度のプラズマ生成を可能にする。あらゆる材料のアプリケーターに対して、実用可能となるパワーを増加させるのに有益であるが、液体による冷却は、応力割れを起しやすいサファイアアプリケーターの連結部において特に有用である。
【００１５】
本発明のさらなる観点によれば、マイクロ波キャビティの終端における、スライディングショートを介しての動的なインピーダンス整合は、反射するエネルギーによるパワーの損失を低減する。同時に、低いプロファイルのマイクロ波トラップがより濃密なプラズマを生み出し、それによりラジカル生成が増加する。
【００１６】
本発明のさらなる別の観点によれば、異なるラジカルが別々に発生させられ、処理チャンバのちょうど上流で混合され、これにより２つの種類のラジカルの発生を個別に最適化することができる。例示した実施形態においては、フッ素ラジカルはサファイアアプリケーターで発生されるのに対し、酸素ラジカルは石英アプリケーターで発生される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
例示する実施形態はレジスト剥離、もしくはアッシングシステムの文脈で述べられているが、当業者であればここで開示されている機器と方法の他のシステムへの応用をすぐに見つけるであろう。半導体産業においては、例えば、プラズマもしくはフリーラジカルの発生は多くの化学的エッチングおよびCVD（Chemical Vapor Deposition）プロセスを補助し促進するために望まれている。これらのプロセスの多くに対して、プラズマの遠隔生成は基板への損傷を有効に回避する。
【００１８】
まず図１を参照して、好ましい実施形態による化学的下流エッチング（CDE）反応炉１０が概略的に示されている。この反応炉１０は処理チャンバ１４の上流にマイクロ波プラズマ発生装置１２を有する。基板１６は、代表的には一枚の半導体ウェハを有するが、チャンバ１４内の台座２０上のチャック１８の上に支持されている。
【００１９】
図１〜４を参照すると、プラズマ発生装置１２はマイクロ波パワー源２２を含んでおり、これは従来のマグネトロンであってもよい。例えば、IllinoisのLaFoxのRichardson Electronicsの商品名NL１０２３０およびNL１０２５０という適切なマイクロ波パワー源を市場で入手可能である。NL１０２３０マグネトロン発生装置は、２，４５０MHzにおいて３，０００W（規格値）のマイクロ波パワーを発生することが可能である。当業者は、他の構成において、パワー源はパワーをガスに結合するために適切な構造であれば何でもよいとすぐに認識するであろう。他のプラズマ発生装置としては、例えば無線周波数のパワーを用いることができ、この場合エネルギーは誘導的または静電的に、イオン化したガスと結合することができる。
【００２０】
例示されているプラズマ発生装置１２は、パワー源２２と隣接してアイソレータモジュール２４をさらに有し、これもまた従来の構成であってよい。この分野において知られているように、アイソレータ２４は反射するパワーをダミー負荷へそらすことで、このような反射するパワーからマグネトロンを保護する。望ましくは、アイソレータ２４は一体的に集積化された方向性結合器を有し、これも、以下で「インピーダンス整合」と題された部分を参照してより詳細に述べるように、マイクロ波エネルギー路に沿ってインピーダンスを整合するために、反射するパワーを測定する。
【００２１】
マイクロ波パワーはアイソレータ２４を通って導波管２６の方向へ指向され、導波管はマイクロ波キャビティ（またはプラズマ源）２８内にのびている。図２から最良に理解されるように、例示されている導波管２６はS字型をしているので、積み重なった構成をとることが可能で、製造フロアの反応炉区域が減少する。導波管は固定されている調整ノブ３０（図１）を有しており、これはマイクロ波エネルギー路（アイソレータ２４、導波管２６およびキャビティ２８を含む）のインピーダンスをパワー源２２のインピーダンスに整合させるために、自動調整モジュール３２と連結して動作する。自動調整モジュール３２は、以下で「インピーダンス整合」と題された部分においてより詳細に述べられる。
【００２２】
ガスの搬送管３４はガス源３６からマイクロ波キャビティ２８を通ってのびている。管３４の軸は導波管の軸を横断するようにのびる。例示されている実施形態においては、ガス源は酸素原料ガス（好適にはO2）、フッ素原料ガス（好適にはCF4またはNF3）、および搬送ガス（好適にはN2）を含む。以下の「単結晶伝送管（Single-Crystal Transport Tube）」と題された部分でより詳細に述べられるように、搬送管３４は上流区間３８、アプリケーター区間４０、および伝送管区間４１を含む。伝送管４１はキャビティ２８と処理チャンバ１４との間に曲げ、もしくはひじ継手４２を有する。
【００２３】
１対のマイクロ波放射障壁４４，４６は、それぞれキャビティ２８のすぐ上流と下流においてアプリケーター４０を取り囲んでおり、マイクロ波エネルギーがキャビティ２８から逃げることを防ぐのに役立っている。放射障壁４４，４６の構造は、以下での「マイクロ波チョーク（Choke）」と題された部分においてより詳細に記述される。
【００２４】
単結晶伝送管
図１を参照すると、これまでに簡単に記してきたように、ガス搬送管３４は３つの区間を含んでいる、即ち、ガス源３６からガスを搬送する上流区間３８と、マイクロ波キャビティ２８を通ってのびているアプリケーター区間４０と、キャビティ２８の下流から処理チャンバ１４へのびている伝送管区間４１である。
【００２５】
動作時には、導波管２６から導かれたマイクロ波パワーは、管３４のアプリケーター部４０（キャビティ２８内）を通って流れているガスと結合され、ガスを励起しプラズマを着火させる。アプリケーター４０は、キャビティ２８のすぐ隣の区間と同じくキャビティ２８内にも管３４の一部を含んでおり、プラズマ放電の強いエネルギーの粒子に直接さらされ、上流部よりもより早く、下流部よりもわずかに早く劣化する。管３４の上流区間３８はプラズマ放電にさらされずそれ故早くは劣化しないので、上流区間３８は好適には従来のステンレス鋼のガス管であり、アプリケーター４０を交換すべき時にも交換される必要がないように、アプリケーター４０とは別に設置される。
【００２６】
例示されている実施形態においては、フッ素と酸素の原料ガスが両方アプリケーター４０に供給されており、多種のイオンおよび電子と同じようにOとFが発生されている。先の従来技術の部分で記したように、フッ素は石英管に対して著しい腐食性がある。それ故、アプリケーター４０はフッ素の侵食に対抗するためにサファイアで構成されることが好ましい。より好ましくは、アプリケーター４０は、プラズマにさらされることにより発生する応力に抵抗するために優れた物理的強度を提供する、単結晶サファイアで形成される。
【００２７】
先の従来技術の部分で述べたように、搬送管３４の伝送区間４１の長さは、励起されたガスが処理チャンバ１４に導かれる前にイオンが再結合するように選ばれる。好適には、マイクロ波キャビティ２８から処理チャンバ１４までの伝送区間４１は少なくとも約５インチ（１２．７cm）の長さであり、より好適には少なくとも約１０インチ（２５．４cm）であり、例示されている本実施形態においては約１４．５インチ（３６．８cm）である。アプリケーター４０と伝送区間４１の合計の長さは、例示されている本実施形態においては約２１．５インチ（５２．７cm）である。しかしながら、当業者は、別の方式によってイオンの含有量が低くなった場合には、より短い長さの伝送管を用いてもよいことを理解するであろう。
【００２８】
伝送区間４１は、図７を見ると最良に理解されるように、好適には曲げもしくはひじ継手４２を有し、これによりキャビティ２８内のグロー放電と処理チャンバ１４との間が直接的に視野に入ることが回避される。好適には、曲げ４２は少なくとも３５°の角度で定義され、より好適には約４５°より大きい。例示されている本実施形態においては、曲げ４２は９０°、即ち直角である。基板１６はそれ故、グロー放電により放出される有害なUV光子から保護される。
【００２９】
伝送管４１は励起されたフッ素類を含む、エネルギーを有するプラズマの生成物にもさらされるので、この区間もまたサファイア、より好適には単結晶サファイアにより形成されることが好ましい。加えて、伝送管４１はアプリケーター管４０と一体的に形成されることが好ましい。
残念ながら、サファイアの結晶の品質は、管の長さが１２インチを超えると品質が下がる傾向にある。先に記したように、長い長さのサファイア管の合成結晶構造は、強いパワーで高い温度のプラズマにさらされたときに応力割れを起しやすい。伝送管区間４１内にひじ継手を形成することが望ましいことからも、単結晶サファイアでできた少なくとも２つの区間を接合することが必要づけられる。しかしながら、代表的な結合材はフッ素とは相容れなく、そのためこのような結合材を用いることはサファイア管の利点を打ち消すことになるであろう。
【００３０】
以上のことから、例示された伝送管４１とアプリケーター４０は単結晶サファイアの区間として設置され、フッ素の侵食を受けやすい結合材を使うことなく、ひじ継手４２において結合される。特に、区間４０と４１は、Eutectic Bonding of Single Crystal Componentsと題された、１９９８年１２月１７日に公表されたPCT公表番号WO ０９ ８５６ ５７５（以下、「PCT出願」）において開示されているような、共晶結合によって結合される。PCT‘５７５出願公表の開示が、ここで参考されて一体化される。PCT出願‘５７５番の方式であらかじめ結合された単結晶区間は、New HampshireのMilfordのSaphikon, Incから手に入れることができる。
【００３１】
アプリケーター冷却システム
単結晶サファイアを用いることは、フッ素の侵食に対する耐性と多結晶サファイアより大きい強度を提供する。従って、アプリケーター４０と伝送管４１を一体化したものとして供される単結晶サファイアは、インプランテーション後のアッシングなどに適用されたときのフッ素の侵食に対抗すると同時に、比較的強いパワーでのガスへの結合を可能にする。
【００３２】
強いパワーでのガスへの結合は、Oおよび／またはFラジカルの生成率を望ましく増加させ、これによりアッシュ率が増加する。しかしながら、強いパワーのプラズマ中で生み出された運動エネルギーは、負の効果も同様にもたらす。キャビティ２８内での、エネルギーを与えられた粒子同士の衝突は、アプリケーター４０の温度を高め、管に熱応力を生み出す。単結晶サファイアは多結晶サファイアに較べてこのような応力により耐性があるとはいえ、石英と比較するとまだ強いパワーで高い温度での稼動下では応力割れすることがある。その上、アプリケーター４０の温度が高いと分離した粒子の再結合が促進される。イオンと電子の再結合は望ましいが、フリーラジカル（F，O）の再結合は逆効果である。
【００３３】
従って、好ましい実施形態はアプリケーター４０に冷却機構を用いており、これによりアプリケーター４０内での動力学的に誘導される再結合が低減される。伝送管４１を長くすることが、アプリケーター４０内でイオンの再結合が低減されることを埋め合わせる。エネルギーを持ったイオンは、伝送管４１の長さを通してラジカルより大きな割合で再結合し、付加的な静電的反応によりこのような再結合が促進される。同時に、アプリケーター４０を冷却すると、許容されている熱応力に対してより高いパワーを利用することができる。サファイアアプリケーターの場合には特に、冷却機構はフリーラジカルの発生効率を加速すると同時に、応力割れの発生を低減する。
【００３４】
図７および図８を参照すると、冷却ジャケット５０は搬送管３４のアプリケーター区間４０を取り囲んでいる。ジャケット５０とアプリケーター４０との間の空隙は、冷却剤流体で充たされている。有利なように、この流体は流体入口５２（図７）から入り流体出口５４（図８）から出ていくことでジャケット５０を通って循環している。入口５２と出口５４は、流体が周囲を循環しやすくなるように、互いが９０°をなすように配置されている。冷却ジャケット５０は、図示されるように好適にはマイクロ波キャビティ２８の上流と下流でのびる。
【００３５】
望ましくは、ジャケット５０と冷却流体はどちらもマイクロ波透過材料から成り、これによりジャケットと冷却剤により直接吸収されるのと比較して、アプリケーター４０内でのマイクロ波エネルギーのガスへの結合が最大化される。冷却剤ジャケット５０は好適には石英から成る。
【００３６】
冷却剤流体は水素（H）含有量が最小となるように選ばれる。水素はマイクロ波エネルギーを容易に吸収する。好適には冷却剤は水素を一切含まず、例示されている好ましい実施形態においては、過フッ素で不活性な熱伝達流体から成る。このような流体は、商品名Galden（登録商標）としてPennsylvaniaのClairtonのKurt J. Lesker Companyから入手することができる。有利なことには、この液体冷却剤は、異なる沸点を有する複数の組成で入手することができる。それ故、マイクロ波プラズマ発生装置を稼動するために望ましいパラメータに依存している、マイクロ波アプリケーターを冷却するために、最も適切な組成を選ぶことができる。
【００３７】
従って、アプリケーター４０内で望ましいラジカルが再結合することはアプリケーター４０を液体冷却することで低減される。その上、より大きなパワーが、アプリケーター４０に損傷を与えることなくガスと結合できる。例示されている実施形態においては、パワー源２２は通常の稼動条件（つまり、複数枚のウェハからフォトレジストを連続的にアッシングする際、連続的または断続的に稼動する）下で、サファイアアプリケーター４０に応力割れを誘発することなく、フルパワー（約３，０００W）で稼動することが可能である。許容できるパワーが改善され、それにより効率的にラジカルが生成されることを、石英アプリケーターにも当てはめることができるということは理解されるであろう。石英アプリケーターは一般的に、フッ素化されていない化学物質に対してはより望ましい。稼動可能なパワーレベルは、流体冷却付の石英アプリケーターに対しては相当高くなることは理解されるであろう。
【００３８】
より低くはあるが、副産物として、下流の伝送管４１もまたプラズマへさらされることにより加熱される。しかしながら、下流の管はグロー放電により直接接触はされない。従って、伝送管４１を液体冷却するよりも、好ましい実施形態においては、図２〜４および６に示すように、管の周りに絶縁された囲い板５６を設置すると、作業者に対するやけどの危険を低減することができる。好適には、囲い板を通る、ファンからの直接的な風が、対流によって伝送管４１を冷却する。
【００３９】
インピーダンス整合
図１〜３を参照すると、パワー源２２によって発生されたマイクロ波エネルギーは、アイソレータ２４、導波管２６およびマイクロ波キャビティ２８を含むエネルギー路を通って伝播される。エネルギー路の様々な区間のインピーダンスは、反射するパワーによるエネルギー損失を避けるために近くまで一致するべきである。注意深くインピーダンス整合を行うことによって、定在波もしくは共振状態がマイクロ波導波システム２６，２８内で生み出され、そこではパワーが、アプリケーター４０を通って流れるガスと結合される。パワー源はアイソレータ２４によって、反射するエネルギーから保護されているが、アイソレータ２４中のダミー負荷によって吸収された反射するエネルギーは、吸収されていなければラジカル発生に利用可能であった浪費パワーを表している。
【００４０】
インピーダンス整合は、マイクロ波が伝播する媒体に種々の組成があるという事実により複雑になる。マイクロ波キャビティ２８を通るガスの密度および導電率は、処理方法が異なると変化する。反応炉は代表的には半導体製造業者によって同じ方法に対して繰り返し利用されるので、インピーダンス整合は代表的には与えられた処理方法に対して行われる。導波管２６（キャビティ２８を含む）のインピーダンスを調整することは、従って、処理方法が変わったときと同じく、反応炉が最初に製造を開始したときにも必要である。
【００４１】
導波管２６のインピーダンスを調整する一般的な方法は、導波管２６内で３つの調整ノブを用いることである。これらの電導体の突出量を、エネルギー伝播軸に沿った３つの異なる場所で導波管２６を横断して横切るように調整することで、導波管２６のインピーダンスをアイソレータ２４およびパワー源２２のインピーダンスと整合させることができ、これにより与えられた処理方法に対して、反射するパワーが最小化される。このインピーダンス整合の方式は、３スタブ同調器として知られる。反射するパワーを最小化するのに効果的である一方で、３スタブ同調器は高価である。
【００４２】
しかしながら、好ましい実施形態においては、導波管２６内の固定されている調整ノブ３０（図１）と図８に示されるスライディングショート６０との組み合わせによってインピーダンス整合は制御される。調整ノブ３０は、好適には大まかな調整のために工場であらかじめ設定される一方で、スライディングショート６０はインピーダンス整合を動的に微調整する。
【００４３】
スライディングショート６０は自動調整モジュール３２内のモータアクチュエータ６２によって駆動される。スライディングショート６０はマイクロ波キャビティ２８の壁を横断してのびる導管を有しており、それ故、キャビティ２８に対して移動可能な端壁を提供する。スライディングショート６０の位置は、導波管２６（マイクロ波キャビティ２８を含む）のインピーダンスがアイソレータ２４のインピーダンスと近くまで一致するところまで変えることができ、その点においてはキャビティ２８内で共振状態が達成される。その上、導波管２６内の３スタブ同調器の横断的な動きの代わりに、エネルギー伝播軸に沿ってスライディングショート６０を調整することは、エネルギーとアプリケーター４０を通って流れるガスとの結合を最適化するために定在波パターンを調整することを容易にする。
【００４４】
さらに、名前が意味するように、自動調整器３２は閉ループ制御によって動的にインピーダンスを整合する。反射するパワーはアイソレータモジュール２４（図１〜３）において継続的に計測され、電子制御器（図示せず）に信号を送信する。制御器は、今度はモータアクチュエータ６２に信号を送信し、これがスライディングショート６０を駆動する。スライディングショート６０が動いた後で、反射したパワーの変化が制御器によって認識され、制御器はそれからさらにスライディングショート６０の位置を調整する、ということが、反射するパワーが最小化されるまで続けられる。
【００４５】
例示された実施形態においては、スライディングショート６０は最初は、キャビティ２８を通るアプリケーター４０の中心から、（導波システム内で測定されたものとしての）マイクロ波エネルギーの波長の１／２の所に位置している。この位置においては磁界が最大であり、一般的に電界の強さが低いことから、下流でのイオンの加速が低減される。必要であるならば、ショート６０は初期着火のためにマイクロ波エネルギーの波長の１／４のところに移動し、プラズマが根本から自己発火するようになった後で１／２波長のところに移動することができる。モータアクチュエータ６２は、好適にはこの初期位置から、約０．２５インチ（０．６３５cm）、より好適には約０．５インチ（１．２７cm）、例示された実施形態においては、スライディングショート６０は約０．７５インチ（１．９１cm）まで、初期（１／２波長）位置のどちらの側にも移動可能である。別の実施形態においては、インピーダンス整合を完全に調整可能とするために、アクチュエータ６２は初期位置からどちらの側へも１／２波長（±１．７インチ（４．３２cm））までずらすことが可能である。自動調整モジュール３２は、スライディングショート６０の移動し過ぎを防ぐために、光学センサをさらに有する。上記の配置（ショート６０をアプリケーターの中心からλ／２のところに置く）は反射するパワーを最小化するだけでなく、アプリケーター内のマイクロ波の磁界の強さを最大化することもわかっている。
【００４６】
インピーダンス整合の動的な閉ループ制御はこのようにして１つの処理方法での稼動におけるパラメータの変動を順応させる。加えて、自動調整は種々の処理方法を順応させる。例えば、図９〜１１は、パワー源の出力、総ガス流量およびガス圧力の違いを含む、様々なプロセスパラメータに対する反射するエネルギーの影響を示している。構成ガスの組成のような他のプロセスパラメータもまた反射するパワーに影響を与えることは理解されるであろう。例示されているように、動的もしくは理想的なインピーダンス整合は、固定した調整と相対的に、異なる処理方法に対して手動で調整を行うことに対して要求される停止時間なしに、反射するパワーから損失を低減する。このような自動調整は新しいプロセスの研究開発に対して特に有利であり、新しいプロセスにおいては最適化のために多くの異なったプロセスを試験することが望ましい。
【００４７】
マイクロ波チョーク
図１を参照すると、自動調整モジュール３２がパワー源２２へと反射して戻ってゆくパワーを最小化はするが、インピーダンス整合は、そこを通ってアプリケーター４０が上流と下流にのびてゆくキャビティ２８内の開口部からマイクロ波が漏れる可能性については述べていない。このような漏れは前記の従来技術の部分で述べた種々の理由により不都合であり、Kamarehiらの米国特許第５，４９８，３０８号が、「マイクロ波トラップ付プラズマアッシャー」（以後「‘３０８号特許」）と題されている。‘３０８号特許の開示がここで参照されて一体化される。
【００４８】
それ故、この漏れを最小化するために、好ましい実施形態は上流のマイクロ波チョーク（または放射障壁）４４および下流のマイクロ波チョーク（または放射障壁）４６を備えている。図４〜８はこれらの放射障壁４４，４６を、マイクロ波キャビティ２８と搬送管３４との関係、特に搬送管３４のアプリケーター区間４０との関係において示している。
【００４９】
図１２は放射障壁４６単独を示している。図に示されているように、放射障壁４６は内部導管７０、外部導管７２、および誘電性媒体７４を有する。これら各構成要素は長方形（図６の分解図を見よ）であり、マイクロ波キャビティ２８のちょうど外側のアプリケーター４０を取り囲んでいる。組み立てられた時には、内部および外部導管７０，７２は誘電性媒体７４で充たされたチョークキャビティを規定し、このチョークキャビティの末端において内部および外部導管７０，７２の間にギャップ、あるいは開口部７５を有する。
【００５０】
内部導管７０と外部導管７２は、対象としているマイクロ波エネルギーの波長の１／４の電気的長さを持つように選ばれた同軸導管を規定する。例えばRamo, WhinneryおよびVan Duzerの“Fields and Waves in Communication Electronics”の４６ページの表１．２３（これ以後「Ramoら」）に開示されているように、理想的な１／４波長線路のインピーダンスは下記の公式で与えられる。
【００５１】
【数１】
ここでZは同軸線路のインピーダンスであり、Z0は電磁波が伝わっていく媒体の特性インピーダンスを表し、ZLは負荷インピーダンスを表している。例示されている実施形態においては、同軸線路は内部導管７０と外部導管７２を横切って内部端７６において短絡される。短絡された線路の負荷インピーダンスZLは理想的にはゼロなので、マイクロ波キャビティ２８からチョーク４６の末端へ向かって伝播するマイクロ波エネルギーは、特性インピーダンスZ0にかかわらず、チョークキャビティの開口部７５において無限大に近づくインピーダンスと遭遇することになる。
【００５３】
開放端で、短絡されている１／４波長同軸線路のインピーダンスが高いことは、同じくRamoらによって開示されている
【００５４】
【数２】
という、短絡された線路のインピーダンスのための公式を使って、代わりに示すことができる。位相定数βは２π／λに等しく、線路lの長さは１／４波長、即ちλ／４となるように選ばれる。これらの値を上記の公式に代入すると、tanの項（tanβl）はtan（π／２）となり、これは無限大に近づく。
【００５６】
再度図１を参照すると、高いインピーダンスのマイクロ波チョーク４４，４６がチョークキャビティの開口部７５を通過するマイクロ波の漏洩を制限する一方で、エネルギーはまだ内部導管７０に沿ってチョークの開口部７５まで伝播する。エネルギーはこのようにこの点までアプリケーター４０内でガスと結合し続け、マイクロ波キャビティ２８の閉止を越えて、キャビティ２８の上流と下流の両方で拡大する。このようなプラズマの拡大は多くの理由により不都合である。先に記したように、キャビティ２８の下流でのプラズマの拡大は、エネルギーを持ったイオンおよび／またはプラズマのグロー放電によるUV放射線が処理チャンバ１４に届く可能性を増加させる。その上、プラズマの拡大は不都合なことにプラズマ密度を低下させる。当業者には分かるように、プラズマ密度を増加させることは、与えられたパワーの入力に対してフリーラジカルをより効率的に発生させることを促進する。
【００５７】
従って、誘電性媒体７４は高い誘電率を持つように選ばれる。空気（誘電率＝１）に対する定数においては、例示されている誘電性媒体７４は好適には少なくとも約３．０、より好適には約５以上の誘電率を有する固体により構成されており、例示されている実施形態においては約９のものを有している。例示されている実施形態の代表的材料はセラミック、より好適にはEmerson ＆ Cumingから入手可能なStycast（登録商標）HiKにより成る。
【００５８】
マイクロ波は、高誘電性媒体７４内で導管の表面を伝わってくる。即ち、チョークキャビティの内部に沿って伝わる。それ故、代表的なセラミック中の１／４波の絶対距離は空気中の１／４波の絶対距離（２，４５０MHzにおけるマイクロ波エネルギーに対して約１．２インチ（３．０５cm））よりもずっと短い。例示されている実施形態においては、セラミックを通過する１／４波は約０．４インチ（１．０２cm）の絶対距離に換算される。なぜなら、１／４波の長さは媒体の誘電率の２乗根に比例するからである。
【００５９】
キャビティ２８内で発生されるプラズマとチョークキャビティの開口部へ出ていく漏れの有効容積が、このように誘電性媒体７４の誘電率を増やすことで低減される。その結果、プラズマの密度が、与えられたパワー入力に対して改善され、ラジカル発生の効率が改善される。ラジカル発生が改善されると、その次には、例示されているプラズマアッシュ反応炉においてアッシュ率が増加することになる。
【００６０】
分離プラズマ源
図１３〜１５は、本発明の第２の実施形態に従って構成されたプラズマアッシュ反応炉１００を示している。反応炉１００は好適には１つかそれ以上、より好適には本発明のこれまで述べてきた特徴を全て含むことが理解されるであろう。反応炉１００は先に述べた実施形態の特徴と類似的もしくは同一となる多くの特徴を含んでいるので、類似する特徴は数字１００を加えた参照数字で参照する。例示されている反応炉は第１の処理チャンバ１１４と第２の処理チャンバ１１５を有する。２つのチャンバ１１４と１１５は同一の構造であるので、本説明においては第１のチャンバ１１４とそれに関連するプラズマ発生装置に焦点を当てる。
【００６１】
チャンバ１１４は２つのプラズマ発生装置１１２および１１２’を有しており、それらの各々は（以下に示す特別な差異と、）これまで示してきたものと類似の構造を有することができる。２つのプラズマ発生装置１１２，１１２’のそれぞれは、図示されているように、発生されたラジカルを伝送管１４１，１４１’を介して第１の処理チャンバ１１４に導く。各発生装置からのフリーラジカルは、処理チャンバ１１４への導入の前に、攪拌チャンバ１４５において混合される。
【００６２】
図１３および図１４を参照すると、２つの発生装置１１２および１１２’のマイクロ波キャビティ１２８および１２８’は互いに横切っていることがわかる。この配置は反応炉の骨格構造内においてモジュールを隙間なく詰め込むことを可能にし、クリーンルームフロア上の区域を抑制することが可能である。
【００６３】
図１４および図１５を参照すると、伝送管１４１，１４１’はそれぞれ射出装置１４７，１４７’を介して攪拌チャンバ１４５と通じている。有利なことには、射出装置１４７，１４７’は攪拌チャンバ１４５の周囲の接線方向に近いところにラジカルを射出するように構成されており、それ故２つの異なるプラズマ源１２８，１２８’からのラジカルの混合を促進する。最も好適には、射出装置１４７，１４７’は向かい合った位置関係で射出し、時計回りや反時計回りで渦を作りだし、各プラズマ源１２８，１２８’からの反応種の混合を手助けする。
攪拌チャンバ１４５および射出装置１４７，１４７’の内壁は好適には陽極処理アルミニウムにより構成されるが、表面の滑らかさを改善するために研磨サファイアにより構成してもよい。どちらの場合においても、チャンバ１４５は好適にはサファイア（Al2O3）としての同じ化学的組成を有し、これはフッ素の侵食に対抗するのに有利に働く。攪拌チャンバ１４５は低いプロファイルを有しており、好適には高さが約１．０インチ（２．５４cm）よりも低く、より好適には約０．５インチ（１．２７cm）より低く、例示されている実施形態においては約０．２２インチ（０．５６cm）の高さである。低いプロファイルはラジカルに対する少ない壁面を提供し、それゆえフリーラジカルの再結合が低減される。
【００６４】
図１５に示されているように、攪拌チャンバ１４５は床部に比較的小さな中央窓１４９を有しており、この窓は第１のパーフォレーションのあるバフル板１５１の上に定められている第１のプレナムチャンバ１５３に向かって開いている。第１のバフル板１５１の下にある第２のバフル板１５５が、バフル板１５１，１５５間の第２のプレナムチャンバ１５７を定めている。第２のバフル板は第１のバフル板１５１のパーフォレーションと相対的にずれて配置されているパーフォレーション（図示せず）を有している。バフル板１５１，１５５は連帯して、フリーラジカルをその下にある処理チャンバ１１４に均一に運ぶことを保証する。
【００６５】
分離しているプラズマ発生装置１１２，１１２’は、有利なことに異なった化学物質に対して個々に最適化することを可能にする。例えば、アプリケーターおよび伝送管として使用される材料は、個々に有利な点と不利な点を持っており、１つの材料はある処理方法に向き、別の材料は別の処理方法に向くという傾向がある。先に述べたように、サファイアは有利な点としてフッ素の侵食に耐性を示す。しかしながら、サファイアの不利な点は、フリーラジカルの望ましくない再結合を示すことである。以下の表は、例として、種々の材料の再結合係数（γ）を示したものである。
【００６６】
【表１】
上記の表は、サファイアは望ましいラジカルが再結合することを、石英の約９倍示すということを表している。それ故、フッ素の侵食に対抗するには望ましくとも、サファイアはラジカルを処理チャンバへ運ぶ効果を著しく下げる。
【００６８】
従って、例示されているデュアルプラズマ源反応炉１００においては、第１のプラズマ発生装置１１２は単結晶サファイアの一体型アプリケーター１４０と伝送管１４１を有し、フッ素ラジカル発生のために最適化される。それ故、サファイア管はフッ素の侵食に対抗する。第２のプラズマ発生装置１１２’は石英のアプリケーター１４０’と伝送管１４１’を有し、酸素ラジカル発生のために最適化される。それ故、石英管はサファイアと較べて酸素ラジカルの望ましくない再結合を最小化し、同時にサファイアよりも強いパワーと高い温度のプラズマ生成に対抗する。
【００６９】
従って、酸素ラジカル生成は、フッ素の腐食によって負担されるプラズマ発生上の制限を受けることがなく、フッ素と酸素のラジカルの両方が処理チャンバ１１４に導かれる。その上、もしフォトレジストのアッシングが半導体製造の最終段階において望まれているならば、レジストがイオンによってインプランテーションされていない段階では、フッ素プラズマ発生装置１１２は停止することができ、酸素プラズマ発生装置だけを稼動させることができる。同様に、フッ素エッチングだけが望まれているところでは、酸素プラズマ発生装置１１２’は停止することができる。
【００７０】
当業者は、本開示の観点から、このデュアルプラズマ源反応炉の他のプラズマまたはラジカル補助プロセスへの応用を容易に察知するであろう。このような他の構成においては、上述したアプリケーター管の材料、原料ガスおよびパワーレベル以外にいくつかの特徴を独立に最適化することが望ましい。
【００７１】
図１６は、上述の特徴により得られた非常に高いプラズマアッシュ率と均一性を示している。図示されているように、好ましい実施形態は、Shipley製レジストにおいて約２％かそれより小さい非均一性で約６μm／minより大きいアッシュ率を達成することができ、住友製レジストにおいて約２．５％かそれより小さい非均一性で約８μm／minより大きいアッシュ率を達成することができる。
【００７２】
上述の発明はある好ましい実施形態の見地から記述されているが、他の実施形態も、ここに開示されている分野の技術に属する通常の技術を有する者には明らかであろう。従って、本発明は、好ましい実施形態を詳述することによって制限されることを意図しているのではなく、添付の請求項の参照として単に規定されることを意図している。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、半導体プロセスにおけるプラズマ発生装置でのラジカル発生の効率を向上させ、半導体基板のアッシュ率を改善し、基板のスループットを増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の好ましい実施形態に従って構成された、遠隔式マイクロ波プラズマ発生装置が一体化した半導体反応炉の概略図である。
【図２】 図２は好ましい実施形態に従って構成されたプラズマ発生装置の、正面右上方斜視図である。
【図３】 図３は図２のプラズマ発生装置の正面左上方斜視図である。
【図４】 図４は図３のプラズマ発生装置のサブシステムを示している。
【図５】 図５は図４のサブシステムの正面右上方斜視図であり、搬送管から保護シースを取り外して示している。
【図６】 図６は図４のサブシステムの分解図であり、図５の角度から見ている。
【図７】 図７はサブシステムの横断面図であり、図４の線７-７に沿って見ている。
【図８】 図８はサブシステムの上下断面図であり、図４の線８-８に沿って見ている。
【図９】 図９は、マイクロ波発生装置のパワー対反射するパワーを、固定した調整と動的にもしくは理想的に調整されたインピーダンス整合の両方の場合に対して示したグラフである。
【図１０】 図１０は、総ガス流量対反射するパワーを、固定した調整と動的にもしくは理想的に調整されたインピーダンス整合の両方の場合に対して示したグラフである。
【図１１】 図１１は、ガス圧力対反射するパワーを、固定した調整と動的にもしくは理想的に調整されたインピーダンス整合の両方の場合に対して示したグラフである。
【図１２】 図１２は図４のサブシステムの要素の縦断面図であり、低いプロファイルの同軸マイクロ波チョークを含んでいる。
【図１３】 図１３は、本発明の第２の実施形態に従って構成された、プラズマ発生装置が２個一体化した半導体反応炉の背面右斜視図である。
【図１４】 図１４は図１３の反応炉の背面立面図である。
【図１５】 図１５は図１３の線１５-１５に沿って見た縦断面図である。
【図１６】 図１６は、好ましい実施形態のプラズマ発生器を用いたアッシュ率と均一性を示した２つのグラフである。
【符号の説明】
１０…化学的下流エッチング反応炉、１２，１１２，１１２’…マイクロ波プラズマ発生装置、１４，１１４，１１５…処理チャンバ、１６…基板、２２…マイクロ波パワー源、２４…アイソレータモジュール、２６…導波管、２８，１２８，１２８’…マイクロ波キャビティ（プラズマ源）、３０…固定されている調整ノブ、３２…自動調整モジュール、３４…搬送管、３６…ガス源、４０，１４０，１４０’…アプリケーター、４１，１４１，１４１’…伝送管、４２…曲げ（ひじ継手）、４４，４６…マイクロ波放射障壁、５０…冷却ジャケット、６０…スライディングショート、６２…アクチュエータ、７０…内部導管、７２…外部導管、７４…誘電性媒体、１４５…攪拌チャンバ、１４７，１４７’…射出装置、１５１，１５５…バフル板、１５３，１５７…プレナムチャンバ
Claims (24)
- 第１のプラズマ源キャビティと、
前記第１のプラズマ源キャビティに接続される第１のプラズマエネルギー源と、
前記第１のプラズマ源キャビティを通ってのび、サファイアによって構成される第１のガス搬送管と、
第２のプラズマ源キャビティと、
前記第２のプラズマ源キャビティに接続される第２のプラズマエネルギー源と、
前記第２のプラズマ源キャビティを通ってのび、石英によって構成される第２のガス搬送管と、
前記第１および前記第２のプラズマ源キャビティの下流で前記第１のガス搬送管および前記第２のガス搬送管の各々と流体伝達しているプラズマ撹拌チャンバと、
前記撹拌チャンバの下流にあり当該撹拌チャンバと流体伝達している処理チャンバと
を有するデュアルプラズマ源下流式反応炉。 - 前記撹拌チャンバの下流側にあるプレナムチャンバをさらに有し、
前記撹拌チャンバは、前記プレナムチャンバに向かって開いており、
前記処理チャンバは前記プレナムチャンバ下流にあり前記撹拌チャンバと流体伝達している
請求項１に記載の反応炉。 - 前記処理チャンバと前記撹拌チャンバとの間に配置される、パーフォレーションのある第１の板をさらに有する
請求項２に記載の反応炉。 - 前記処理チャンバと前記撹拌チャンバとの間に配置される、パーフォレーションのある第２の板をさらに有し、前記第１および第２の板は、それらのパーフォレーションが同軸上に配列されていない
請求項３に記載の反応炉。 - 前記第１のガス搬送管はフッ素源に連通し、前記第２のガス搬送管は酸素源に連通する
請求項１に記載の反応炉。 - １/４波長の短絡された同軸導管を含む第１のマイクロ波チョークをさらに有し、
前記短絡された同軸導管は、前記第１のプラズマ源キャビティに隣接する前記第１のガス搬送管を取り囲んでいる第１のチョークの周囲を規定し、
前記第１のチョークの周囲は、３よりも大きい誘電率を持つ固体材料で満たされている
請求項１に記載の反応炉。 - １/４波長の短絡された同軸導管を含む第１のマイクロ波チョークをさらに有し、
前記短絡された同軸導管は、前記第１のプラズマ源キャビティの上流終端に隣接する前記第１のガス搬送管を取り囲む上流部分、及び、前記第１のプラズマ源キャビティの下流終端に隣接する前記第１のガス搬送管を取り囲む下流部分を有する第１のチョークの周辺を規定し、
前記第１のチョークの周辺の前記上流部分及び前記下流部分は、３よりも大きい誘電率を持つ固体材料で満たされている
請求項１に記載の反応炉。 - １/４波長の短絡された同軸導管を含む第２のマイクロ波チョークをさらに有し、
前記短絡された同軸導管は、前記第２のプラズマ源キャビティの上流終端に隣接する前記第２のガス搬送管を取り囲む上流部分、及び、前記第２のプラズマ源キャビティの下流終端に隣接する前記第２のガス搬送管を取り囲む下流部分を有する第２のチョークの周辺を規定し、
前記第２のチョークの周辺の前記上流部分及び前記下流部分は、３よりも大きい誘電率を持つ固体材料で満たされている
請求項７に記載の反応炉。 - 前記固体材料はセラミックにより成る
請求項６に記載の反応炉。 - 前記固体材料は５より大きい誘電率を持つ
請求項６に記載の反応炉。 - 前記固体材料は９より大きい誘電率を持つ
請求項１０に記載の反応炉。 - 前記第１のプラズマ源キャビティ内側で前記第１のガス搬送管を取り囲む第１の冷却ジャケットをさらに有し、
前記第１の冷却ジャケットは、マイクロ波エネルギーを透過する過フッ素冷却流体により満たされている
請求項１に記載の反応炉。 - 前記第２のプラズマ源キャビティ内側で前記第２のガス搬送管を取り囲む第２の冷却ジャケットをさらに有し、
前記第２の冷却ジャケットは、マイクロ波エネルギーを透過する過フッ素冷却流体により満たされている
請求項１２に記載の反応炉。 - 前記冷却流体は、水素を含まない
請求項１２に記載の反応炉。 - 前記第１のガス搬送管は、前記第１のプラズマ源キャビティと前記撹拌チャンバとの間に３５°よりも大きい角度のひじ継手を含んだ中空のサファイア管を有する
請求項１に記載の反応炉。 - 前記第１のプラズマエネルギー源は、マイクロ波パワー源をさらに有する
請求項１５に記載の反応炉。 - 前記マイクロ波パワー源は、前記サファイア管内において、少なくとも、２，４５０ＭＨｚにおいて３，０００Ｗのマイクロ波エネルギーをガスに結合可能である
請求項１６に記載の反応炉。 - 前記第１のガス搬送管はフッ素ガス源と流体伝達している
請求項１７に記載の反応炉。 - 前記ひじ継手は９０°の角度を規定する
請求項１５に記載の反応炉。 - 前記第１のプラズマエネルギー源は、
マイクロ波エネルギー発生装置と、
前記マイクロ波エネルギー発生装置からのマイクロ波エネルギー通路と、
第１のプラズマ源キャビティの可変な末端を規定し、前記マイクロ波キャビティのインピーダンスを前記導波管に整合させるために動的に制御されるスライディングショートと
を有し、
前記マイクロ波エネルギー通路は、
前記マイクロ波エネルギー発生装置と連通し、反射するパワーから前記エネルギー発生装置を保護するために構成されているアイソレータモジュールと、
前記アイソレータモジュールと内部端において連通し、前記第１のプラズマ源キャビティの内部端において連通し、前記第１のプラズマ源キャビティはガス流入部とラジカル流出部を含む
請求項１５に記載の反応炉。 - 前記マイクロ波エネルギー通路は、前記マイクロ波エネルギー発生装置の方へ指向する反射するエネルギーを測定し、前記スライディングショートの動きを制御する信号を発生させる方向性結合器を有する
請求項２０に記載の反応炉。 - 大まかな調整が前記導波管内の固定された調整ノブを介して行われ、微調整が前記スライディングショートにより動的に行われる
請求項２０に記載の反応炉。 - 前記撹拌チャンバは、１．０インチよりも低い高さを有する
請求項１に記載の反応炉。 - 前記撹拌チャンバは、０．５インチよりも低い高さを有する
請求項１に記載の反応炉。
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