JPH01100920A - プラズマ生成物を用いた基体処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はプラズマ生成物を用いた基体処理装置に関する
ものである。詳しくは、プラズマ生成物を用いた基体の
エツチング、清浄化、堆積等の処理がなされた被加工基
体の表面または界面に損傷を与えぬ装置に関するもので
ある。

本発明でいうプラズマ生成物とは、プラズマ。

プラズマにより生成された活性種及び（超）微粒子を含
むものである。

［従来の技術］ 従来、放電空間と磁場印加空間の組合せから成るプラズ
マを用いた基体処理装置としては、特公昭５３−３４４
６２号公報、同昭５３−４４７９５号公報、同昭Ｅｉ２
−２２６５２号公報等に開示されているが、放電空間に
磁場を印加する手段を設けただけのものである。

特開昭５２−９８４７５号公報では放電空間からプラズ
マを吹き出させプラズマを輸送することを試みており、
プラズマ処理室とプラズマ吹出し口との距離はプラズマ
処理室内に残留するガスの平均口、由行程以下として、
吹出しプラズマ流が処理用基体表面に達する工夫をして
いる。だが、吹き出したプラズマが処理用基体表面まで
達することが出来るのは装置周辺に設置された同軸電磁
石によって生じる磁界によってである。

特公昭５８−１３６２６号公報では電子サイクロトロン
共鳴（ＥＣＲ）条件を用いたマイクロ波放電により生成
したイオンを、イオン引出し電極とＥＣＲ条件を作り出
すために用いた磁場によってもたらされる発散磁界の組
合せによって、イオンを処理用試料表面に輸送している
。

［発明が解決しようとする問題点］ 特公昭５３−３４４６２号公報、開閉５３−４４７９５
号公報等で示された例では、放電空間を形成する容器内
に被加工用試料が設置されるので、試料が放電に曝され
る。

その結果、放電によるダメージが試料に残る欠点があり
、次の様なプラズマ・ダメージを生じる。

ｌ）エツチングの場合には、プラズマ放電中に試料ノ＾
板を置くため、基板温度が上昇しホトレジストの変質が
起こり、ホトレジストの剥離が困難となる。

２）成膜の場合にはプラズマ放電中に試料基板を置くた
めプラズマ中の電子が電界により加速されて試料基板に
衝突し、試料に悪影響を与える０例えばＳｉ′２＆板の
表面抵抗が大きくなったり、ＭＯＳ　）ランジスタの闇
値電圧が移動したりする。

一方、特開昭５２−９８４７５号公報ではプラズマ発生
室のプラズマ流出口から被処理体までプラズマを輸送す
るために同軸磁場を設けているが、該公報の明細書中で
開示されている様に同軸磁場の役割は次の２つである。

１）プラズマ発生室の周囲に設けられた電磁石はプラズ
マ励起によって生じた電子の軌道長を長くして放電プラ
ズマの電離密度を大にする働き、及び ２）プラズマ処理室周囲に設けられた電磁石はプラズマ
が基板上に一様に広げる働き をそれぞれするように設けられている。

当然この方法ではビーム状にプラズマを吹き出すことは
なく、プラズマ処理室に設けた電磁石でプラズマを基板
上に一様に広げようとするには大型の電磁石を必要とす
る。ここで用いる電磁石では巻き芯スペース及び水冷も
備えればかなり大かがすなものとなってしまう。

また、特開昭５２−９８４７５号公報では、プラズマの
流出を図るために同軸電磁石の電界を強くすることを開
示しているが、この方法では上述した様に電磁石の大型
化につながる。

特公昭５Ｂ−１３６２６号公報で開示されている方法で
は、ビーム化されたイオン流を得ることは出来ず、イオ
ンは発！＆磁場の拡がりに沿って拡がって試料表面に達
する。また、プラズマ放電室を空胴共振器構造としてマ
イクロ波の利用効率を高めた場合にも、マイクロ波の波
長から規定される空胴゛共振器の大きさはかなり大きな
ものとなる。

従って、空胴共振器の管壁に接して電磁石を配置しても
、巻き芯スペース等が必要がため、かなり大がかりなも
のとなってしまう。

［発明の目的］ 本発明は上述の事情に基づいて成されたものであり、従
来の問題点を解決し、プラズマ生成物を用いた基体処理
装置を提供することを目的とするものである。

本発明の目的は、励起エネルギーによって生ずる放電の
誘起性と持続性を向上させ、安定したプラズマ処理室が
得られる基体処理装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、放電空間にて発生したプラズマを
磁場印加空間内に存在するノズルを経て基体室中に設け
た基体上に効率良く輸送し、ビーム状処理が出来るプラ
ズマ生成物を用いた基体処理装置を提供することにある
。

本発明の更に別の目的は、前記ビーム処理として、被処
理体をエツチングするプラズマ生成物を用いた処理装置
を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、前記ビーム処理として、被
処理体上に物質を堆積するプラズマ生成物を用いた処理
装置を提供することにある。

本発明の更にもう一つの目的はプラズマ放電空間にて発
生した超微粒子を磁場印加手段内に存在するノズルを経
て基体室中に設けた基体上に効率良く輸送し、ビーム処
理が出来るプラズマ生成物を利用した基体処理装置を提
供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者らは、プラズマ生成物を用いた基体処理装置に
おいて、励起エネルギーに共振できる構造をなし、且つ
プラズマ生成物を発生させる放電室と基体処理室との間
に、放電室にて発生したプラズマを基体処理室内に輸送
するためのノズルを設は且つノズル内に磁場を形成する
磁場印加手段を設けることによって、上記目的が達成さ
れることを見い出して本発明ｉ至ったものである。

従って１本発明の基体処理装置は、次の各部から構成さ
れている。

ａ）励起エネルギーに共振できる構造をなし、且つ放電
空間を形成する放電室、 ｂ）放電室に接続されたノズル。

Ｃ）ノズルの周辺に形成された磁場印加手段−及び ｄ）ノズルに接続されていないか、またはノズルを空ｎ
Ｈ的に包括している基体処理室なお、基体処理室に予備
排気室を付設し、基体処理室の真空度を低下させること
なく基体処理室内の該処理基体を交換可能にしても良い
。

−Ｌ述の構成をもつため、本発明の基体処理装置は次の
ような特長をもつ。

ｌ）放電空間を形成する室に接続したノズルによりガス
流のビーム化及び放電空間で形成された活性種及びプラ
ズマのビーム流が得られる。

２）ノズルの周辺に設けた磁場印加手段が、放電空間に
隣接しているため、磁場の効果により放電室において放
電によって生じる電子の安定化が図られ、しかもこの間
に発生するプラズマの電離密度を大にするように働き好
都合である。

３）本発明では、ノズル周辺に磁場印加手段を設けたの
で磁場印加手段（例えば、電磁石、永久磁石）が小型で
あるにも拘らず、ノズルからのプラズマ生成物に最も効
く、ノズル周辺に磁場の効果を永久磁石の場合には弱い
磁石で、電磁石の場合Ｃは低電流で働かせることが出来
る利点がある。

終波プラズ？　（ｆ　＝　２．４５ＧＨｚ　）では、　
ＥＣＲ条件（８７５Ｇ）の領域がノズル周辺で得ること
が出来。

永久磁石の場合には弱い磁石で、電磁石の場合には低電
流で良いという利点がある。

０磁場印加手段によって形成される磁場は、′放電空間
で形成されたプラズマ生成物を効率良くノズルから吹き
出させるために必要な手段であり。

特に同軸磁場を形成されたときが良好であることを実験
で確認した。

励起エネルギーに共振できる構造をなす放電室に隣接し
て磁場印加手段を設けると、小さな磁場であっても放電
室内のプラズマ放電に゛効果を及ぼすことができた。

励起エネルギーとして、例えばマイクロ波（ｆ　＝　２
．４５ＧＨｚ　）を用いた場合、共振できる構造をとっ
た放電室として、例えば空胴共振器を用いた場合にも低
圧（例えば１０−３〜１Ｏ−４〒ｏｒｒ）にするとマイ
クロ波放電を誘起し、しかも安定して持続させることは
困難である。

しかし、空胴共振器型放電室に隣接して磁場印加手段（
例えば小型の永久磁石（ｌｏｓｏｃ）　）を持ち込んだ
ところ、低圧でも容易にマイクロ波放電を誘起できるよ
うになり、放電の持続性も向上した。

次に、空調共振器型放電室の排気側出口部にノズルを設
け、その周囲に磁場印加手段を持ち込んだところ、更に
マイクロ放電を誘起し易くなり。

放電を安定して°持続できる場合があった。

これは磁場が空調共振器型放電室に対して同軸磁場とな
ったからである。

空調共振＠構造の放電室では、その構造上排気側出口は
マイクロ波投入窓の反対側となるので排気側出口に磁場
印加手段を持ち込み、主たる磁界が空調共振器の軸と一
致できれば同軸磁場となし得る。

この条件下では放電の誘起性と持続性が容易になっただ
けではなく、空胴共振器型放電室の排、気口部に設けた
ノズルからプラズマ生成物が容易に吹き出すようになっ
た。

このとき空胴共振器型放電室の排気側出口がノズルであ
るため、プラズマ放電に投入されたパワーは空調共振器
型放電室から漏れることなく閉じ込められるようになり
、効率の良いマイクロ放電が可能になった。

しかも、上記放電室で生じたプラズマ生成物は磁場の効
果で容易にノズルから吹き出すようになった。

１、ノズルからプラズマが吹き出す場合ノズルを用いる
ことによってプラズマは拡がりをもった単なる流れでは
なく、ビームとして吹き出すことが可能になった。

これを利用してプラズマ・ビームの生成分が成膜性を有
するときには成膜に利用し、エツチング性を有する場合
にはエツチングに利用できることが判った。

いずれの場合にもビームを利用したスポット状の加工で
ある。

２、ノズルからプラズマ生成物である超微粒子が吹き出
す場合 この場合にもノズルを用いることによって、超微粒子が
他のプラズマ生成物と共に吹き出すが、ノズルの働きに
より超微粒子はビーム状に飛行して基板に達し、スポッ
ト状に堆請する。

これによって超微粒子の凝集体である超微粒子膜が作成
できる。

ビーム流を発生させる手段に用いるノズルとしては、径
の小さな平行管もしくは先細ノズル、縮小拡大ノズル等
があげられるが、その中でも縮小拡大ノズル、先細ノズ
ルとノズル下流側に設ける流れ制御板を用いた場合には
プラズマ生成物を含むガス流及びプラズマ流をビーム化
し得ると共に超音速流とすることが可能であるため、特
に好ましいものである。

ビーム流発生手段の動作原理を簡単に説明すれば、まず
ノズル上流側の室にガスを供給し、ノズル下流側の室の
圧力Ｐ２を一定値以下、例えば１Ｐａ以下に制御する。

他方、上流側の室の圧力Ｐ＋　ｆｔＰ２より高い一定値
以上、例えば１０Ｐａ以上に制御する。この様な操作に
より容易にビーム流を得ることが出来る。

［実施例］ 実施例１ １−　（１）装置例 第１図は本発明によるプラズマ生成物を用いた基体処理
装置の概略を示す一例である。

この処理装置は、放電空間を形成する空胴共振器構造を
成した室１１、それに隣接するノズル２、磁場印加手段
３及び基体処理室４とから成る。

ガス容器または気化により気相材料とした原料ガスを供
給する系（図示せず）を設け、原料ガスを導入管５を通
じて放電空間を形成する空胴共振器１１に導入する。そ
して排気口から排気しつつマイクロ波発振器６から導波
管７によって導き、空胴共振器内に無極放電を誘起して
プラズマを空胴共振器内に発生させる。

基体処理室４は放電室より差圧によって引き出されるプ
ラズマ生成物を含むガス流及びプラズマ流を用いて基体
を処理する室である。

放電室から基体処理室内の基体にプラズマ生成物を含む
ガス流及びプラズマ流を導くために磁場印加手段３とし
て電磁石８または永久磁石９を同軸状に周囲に配置した
ノズル２を用いている。

ノズル２によって空胴共振器１１と基体処理室４には差
圧が生じ前述した原理によりガス流はビーム化される。

同軸電磁石の場合には通電時に、永久磁石の場合には設
置しであるときに、それぞれ活性種を含むガス流及びプ
ラズマ流がビーム状で得られる。

なお、空胴共振器としては後述のように、マイクロ波空
胴共振条件として円形空胴共振モードＴＲＩ目を採用す
るのがよい。

矩形導波管７を伝播して来たマイクロ波（ＴＥ＋。

モード）は効率良く変換されるよう、テーパー管１２と
誘電体（例えば石英、アルミナ等の材質）からなる大気
との隔壁を兼ねたマイクロ波投入窓１３がら空調共振器
にマイクロ波が投入される。

なお、マイクロ波導入部の設計は、マイクロ、波の波長
から判るように光学的設計の手法を用い誘電体の厚みの
調整を図って、最適化することができる。

また１本発明者らの実験結果によれば、円形空胴共振器
におけるＴＥ１１２とＴＥ目１の差は次の通りであった
。（なお、ＴＥ１１１では空胴共振器の軸長ｄ＝λ１、
↑ＥＨｌｌはｄ−人、／２であり、ここでは入りはマイ
クロ波の管内における波長を示す、） （ｉ）ＴＥ目】空洞共振器の方がＴＥＩ１２空胴共振器
よりも、より低圧側でも放電が可能であることを掴んだ
。

（ｉ）Ｔ！＋＋ｚ空胴共振器よりもＴＥＩＩＩ空胴共振
器の方が、マイクロ波投入パワーが％から局で、同一の
プラズマ生成物吹き出し効果が得られることを掴んだ。

本発明では空胴共４［！！そのものには磁場印加手段を
設けていないが、ノズル周囲に磁場印加手段を設けであ
るので、この同軸磁場により空調共振器とノズルが接続
された付近ではマイクロ波の場合には電子サイクロトロ
ン共鳴に必要な磁力１マ容易に保たれている。

従って、この、磁場により空胴共振器内のノズル近傍で
は電子サイクロトロン共鳴現象も利用でき、またノズル
からは離れた終液投入部付近でもプラズマがたちやすく
なる効果を実験で確認した。

一方、圧力差によって導かれるプラズマ生成物を含むガ
ス流及びプラズマ流のビームはノズルから吹き出した後
も、ノズル周辺に設けた同軸磁場による作用と基体処理
室が低圧（１Ｇ−’Ｔｏｒｒ以下；１Ｏ−２Ｐａ以下）
であることから容易に基体表面まで輸送できる。

１−（２）成膜の形成 ｉｆ図の装置を成膜に応用した例について述べる。

原料ガスとしてＳｉＨ４とＨ２の混合ガスを用いて装置
内に流し、放電空間でマイクロ波プラズマにより分解し
た。このときマイクロ波投入パワーは！５０Ｗ、基板温
度は２００℃であった。

その結果、基体上に０．３μ層厚のａ−Ｊｉ：Ｈｌｌを
形成することができた。

１、−　（３）エツチングへの応用 第１図の装置をエツチングに応用した例について述べる
。

試料として５ｉ０２熱酸化膜（Ｊｉウェハー上に形成）
を用い、　ＣＦａと０２の混合ガスを装置内に流し、放
電室の圧力を０．０２Ｔｏｒｒ　（１，５Ｐａ　）　、
基体処理室の圧力を２　Ｘ　１０１Ｔｏｒｒ　（１，５
Ｘ　１Ｇ−２Ｐａ）とした。

その結果、　５ｉ０２熱酸化膜上に形成したポジ型ホト
レジストパターンを変質することな（Ｓｉ０２熱酸化膜
をエツチングすることができた。

１−（０超微粒子膜の作成 第１図の装置を超微粒子膜の作成に用いた例について述
べる。

原料ガスとして’ＪｉｇｓとＩＩ２の混合ガスを用いて
装置内に流し、放電室の圧力が０．２τｏｒｒ（１５Ｐ
ａ）　、基体処理室の圧力が２　Ｘ　１Ｇ−３Ｔｏｒｒ
（１，５Ｘ　１Ｏ−ＩＰａ）の条件下で、基体としてガ
ラス基板を用い、放電室で、５ｒＨａとＨ２の混合ガス
をマイクロ波プラズマにより分解した。このときマイク
ロ波の投入パワーは１５０　Ｗ、基体温度は２００℃で
あった・ その結果、基体上に０．２川■厚のＳｉａ微粒子膜を形
成することができた。

実施例２ ２−（１）装置 第２図は本発明によるプラズマ生成物を用いた基体篇理
装置の別の概略を示す図である。

この処理装置は放電室ｌを内蔵する空胴共振器の軸長を
変えることが可能な空胴共振器１１（及び軸長を変える
治具１４）の、それに隣接するノズル、２、磁場印加手
段３及び基体処理室４とから成る。

放電室ｌへの原料ガスの導入及びマイクロ波の発振器は
第１図と同様である。矩形導波管７を伝播して来たマイ
クロ波（丁ＩＥｔｏモード）は放電室を内蔵する空間共
振器に達する。

本実施例ではマイクロ波が効率良く、大気との隔壁を兼
ねた放電室ｌ（材質二石英ガラス）内に投入されるよう
、空胴共振器の軸長を治具１４により変え、マイクロ波
投入開始時とマイクロ波放電が開始したときに生じる投
入パワーのずれを補正し、効率良くマイクロ波の投入及
び放電が可能な構造となっている。

本実施例においても、第１図で述べたと同様な磁場の効
果が期待できることを実験的に確認している。

２−（２）成膜の形成 第２図の装置を成膜に応用した例について述べる。

原料ガスとして５ｉＦｎ、　Ｈ２，Ａｒ混合ガスを装置
内に流し、基体としてガラス基板を用い放電室でマイク
ロ波プラズマにより分解した。こめときマイクロ波投入
パワーは１５０　Ｗ、基体温度は２００℃であった。

その結果、基体上に０．５１Ｌｍ厚のＳｉ膜を形成する
ことができた。

２−　（３）エツチングへの応用 第２図の装置をエツチングに応用した例について述べる
。

試料として５ｉ０２上に形成したポリシリコンを用い、
Ｃ２Ｆ　５ｃｊｉ！のガスを装置内に流し、放電室の圧
力を０．８Ｔｏｒｒ　　（６０Ｐａ）　、基体処理室の
圧力を８　Ｘ　１Ｏ−２Ｔｏｒｒ　（６Ｘ　１０−’Ｐ
ａ）とした。

その結果、ポリシリコン上に形成したポジ型ホトレジス
トを変質することなくエツチングすることができた。

２−（０超微粒子膜の作成 第２図の装置を超微粒子膜の作成に用いた例について述
べる。

［料ガスとして５ｒＦａ、　Ｈ２，Ａｒ混合ガスを装置
内に流し、基体としてガラス基板を用い放電室でマイク
ロ波プラズマにより分解した。このときマイクロ波投入
パワーは１５０Ｗ、基体温度は２００℃であった。

その結果、基体上に０．３　ｇｍ厚のＳｉ超微粒子膜を
形成することができた。

以上、各実施例においてマイクロ波プラズマの例を挙げ
本発明を詳述したが、本発明では他の波長域の高周波、
直流及び交流を放電用エネルギーとして用いることもで
きる。即ち、放電室１内に電極を設ければ上記いずれの
放電用エネルギー源をも用いることができる。なお、高
周波の場合には、誘電体（例えば石英）の周囲に巻いた
コイルから印加された高周波によって放電されることも
出来る。

上述したいずれの方式の場合にもノズル及びノズル周辺
に設けた磁場印加手段の作用効果を認めた。またノズル
の作用効果は第１図及び第２図を用いて説明した装置の
場合と同様であった。磁場印加の効果は主としてプラズ
マ放電の安定化であった。

［発明の効果］ 本発明によれば、マイクロ波プラズマ放電を用いる場合
には。

ｌ）プラズマ生成物を容、易に処理すべき基体上までビ
ーム流として輸送することができる、２）マイクロ波放
電領域全体に亙り安定した放電を得ることができると同
時に、プラズマ生成物を吹き出すべきノズル付近で最も
効、率が良くなるという利点がある、 ３）ノズル近傍にのみ磁場印加手段を設ければ良いので
、磁石または電磁石が小型化でき、ひいては装置の小型
化も可能である。

マイクロ波以外のエネルギー源を用いたプラズマ放電で
も １）プラズマ生成物を容易に処理−すべき基体上までビ
ーム流として輸送することができる、２）プラズマ放電
を開始させるのが容易になり、目的とする操作が安易に
行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に基づ、くプラズマ生成物を
用いた基体処理装置の概略図である。 １・・・放電室　　　　　２・・・ノズル３・・・磁場
印加手段　、４・・・基体処理室５・・・原料ガス導入
管　６・・・マイクロ波発振器７・・・導波管　　　　
　８・・声電磁石９・・・永久磁石　　　　ＩＯ・・・
基体支持体１１・・・軸長可変の空胴共振器 １２・・・テーパー導波管 １３・・・マイクロ波投入窓 １４・・・空胴共振軸長を変える治具

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）励起エネルギーに共振できる構造をなし、且つプ
   ラズマを発生させる放電室と基体処理室との間に、放電
   室にて発生したプラズマ生成物を基体処理室内に輸送す
   るためのノズルを設け、且つ、ノズル内に磁場を形成す
   る磁場印加手段を設けたことを特徴とするプラズマ生成
   物を用いた基体処理装置。
2. （２）放電室を空胴共振器構造とし、μ波放電プラズマ
   を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   のプラズマ生成物を用いた基体処理装置。
3. （３）放電室を空胴共振器構造とし、かつ該空胴共振器
   構造の軸長が管内波長の１／２以下であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載のプラズマ生成物を用
   いた基体処理装置。