JPH03166725A - プラズマ処理装置およびそれを用いたプラズマ処理方法 - 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、電子サイクロトロン共鳴プラズマを利用して
マイクロ波プラズマ処理をするプラズマ処理装置及びこ
れを用いたプラズマ処理方法に関する。

［従来の技術］ 電子サイクロトロン共鳴を利用したマイクロ波プラズマ
処理装置は、例えば特開昭５６−１５５５３５号公報記
載にみられるように、従来からプラズマ生戒部がマイク
ロ波空胴共振器の構造となっていた．これは、空胴共振
器内にマイクロ波の定在波を形成して，定在波の電界極
大位置に電子サイクロトロン共鳴条件を満足する磁場を
一致させマイクロ波の吸収を起こさせようとするもので
ある。しかしながらＪ空胴共振器内のマイクロ波の波長
は，共振器内の誘電率に大きく依存し、プラズマが生成
した場合の波長が，プラズマ生成前の波長と大きく異な
るのみならず、放電ガスの種類や圧力および生威プラズ
マの密度に大きく依存する。そのため、例えば特開昭５
７−１３３６３０号に開示されている様に、波長が変化
することから，単に導入するマイクロ波パワーを変化さ
せただけでは共振器の長さを変更しないと共振器として
動作しなくなるのみならず、定在波の電界極大の位置が
変化し、電子サイクロトロン共鳴条件の磁場強度の位置
からずれ易いという問題が起こる。このため，この種の
装置で電子サイクロトロン共鳴を効率的にプラズマ生成
に利用するためには、各放電条件ごとに共振器の長さと
磁場強度とを再調整する必要があるが，事実上この様な
調整は不可能であり、マイクロ波パワーが効率的に利用
できないとともに、経時的変動が起り易いという欠点を
有する。

［発明が解決しようとする課題］ したがって、本発明の第１の目的は、上記のような技術
背景を踏まえ，放電条件が変化しても、電子サイクロト
ロン共鳴によるマイクロ波の吸収が効率的に起こり，プ
ラズマ処理の再現性が良好なプラズマ処理装置を、そし
て第２の目的は、この装置を用いて再現性が良く処理速
度及び処理性能に優れたプラズマ処理方法を、それぞれ
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記第１の目的は、 （１）真空室と、この真空室にマイクロ波電力を供給す
る導波管と、前記真空室内の少くとも一部に磁場を形成
する手段と、前記真空室内に放電ガスを導入する手段と
，前記真空室内に被処理試料を保持する手段とを備え，
前記真空室の一部をプラズマ生戒室とすると共にマイク
ロ波を導入するプラズマ処理装置において、前記導波管
の内部に前記真空室の一部を形成し、かかる真空室の一
部を内包する導波管の一部に表面電流を遮断して電界を
定在化させるマイクロ波の絞り機構を配設すると共に、
この絞り機構の位置の磁場強度を電子サイクロトロン共
鳴を満足する磁場強度とする磁場印加手段を有して成る
プラズマ処理装置により，そしてより具体的には， （２）上記導波管の絞り機構を，板状導体または導体ス
タブで構成して成るプラズマ処理装置により、また、 （３）上記導波管の絞り機構を、少くとも導波管内のマ
イクロ波の基本モードの電界方向に平行に突出した構造
として成るプラズマ処理装置により、また、 （４）上記導波管の絞り機構を、円環状導体で構成して
成るプラズマ処理装置により、また、（５）上記導波管
の絞り機構を、上記真空室外部に配設して成るプラズマ
処理装置により、また、（６）上記導波管の絞り機構を
、上記真空室内部に配設すると共に、その少なくとも一
部を絶縁体で覆い直接プラズマに接しない構造として成
るプラズマ処理装置により、また， （７）上記真空室内の磁場強度がマイクロ波の導入経路
に沿って電子サイクロトロン共鳴条件以上から減少し、
上記導波管の絞り機構部において電子サイクロトロン共
鳴条件となるよう上記磁場印加手段を設定して成るプラ
ズマ処理装置により、そしてまた， （８）上記真空室内の磁場強度が電子サイクロトロン共
鳴条件より大の領域へ送給する第１のガス導入系と５前
記真空室内の磁場強度が電子サイクロトロン共鳴条件よ
り小の領域へ送給する第２のガス導入系とを有して成る
プラズマ処理装置により、達或される。

上記第２の目的は、 （９）上記（１）ないし（８）記載のいずれかのプラズ
マ処理装置の上記真空室内に、少なくとも放電ガスを導
入すると共に．前記真空室内に被処理基板を保持し，プ
ラズマ処理を施して成るプラズマ処理方法により、そし
て具体的には、（１０）上記真空室内に，放電ガスとＣ
ＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ）ガスとを導入すると共に、前記真空室内に被処
理基板を保持し、プラズマ処理を施してプラズマ化学蒸
着する上記（９）記載のプラズマ処理方法により、また
、（１１）上記真空室内に、放電ガスと成膜原料ターゲ
ットとを導入すると共に、前記真空室内に被処理基板を
保持してプラズマ処理を施すことにより、前記ターゲッ
ト構成物質をスパッタリングにより前記被処理基板上に
戊膜して成る上記（９）記載のプラズマ処理方法により
、また、（ｌ２）上記真空室内に，放電ガスとエッチン
グガスとを導入すると共に、前記真空室内に被処理基板
を保持してプラズマ処理を施すことにより，前記被処理
基板をプラズマエッチングして成る（９）記載のプラズ
マ処理方法により，また、 （ｌ３）上記真空室内に、放電ガスと反応性ガスとを導
入すると共に、前記真空室内に被処理基板を保持してプ
ラズマ処理を施すことにより、前記被処理基板表面を前
記反応性ガス或分で化学反応せしめる表面処理方法から
成る上記（９）記載のプラズマ処理方法により、また、
（１４）上記反応性ガスが酸素を含み、上記被処理基板
が半導体基板からなり、酸素プラズマ処理を施すことに
より、前記半導体基板表面に酸化膜を形威する上記（１
３）記載のプラズマ処理方法により、そしてまた、 （１５）上記半導体基板がシリコン半導体からなり、シ
リコン半導体基板表面にシリコン酸化膜を形成する上記
（１４）記載のプラズマ処理方法により、達威される。

［作用］ 本発明において導波管の一部に形成する絞り機構は、絞
り機構部位置にマイクロ波電界を定在させる作用があり
、マイクロ波電界の定在部位の磁場強度が電子サイクロ
トロン共鳴条件に一致することによって、マイクロ波が
効率的にプラズマ放電に利用される。マイクロ波電界が
大となる位置が構造的に特定されているため、マイクロ
波の供給パワーを増大させ、プラズマ密度を増大させる
場合にも、電子サイクロトロン共鳴を満足する磁場強度
の位置のマイクロ波電界が小となることがない． 前記導波管の絞り機構は，例えば板状導体または導体ス
タブの設置に、または挿入によって形處することができ
，特に基本モードで伝播するマイクロ波を主に利用する
場合には、少くとも導波管内のマイクロ波の基本モード
の主電界方向に平行に突出した構造をとると効果的であ
り、上述の絞り機構はマイクロ波に対して容量性のイン
ピーダンス窓として作用し、マイクロ波電界を定在化し
ている。

前記導波管の絞り機構が円環状導体の場合には、窓構造
自体は基本的には誘導性のインピーダンス窓であるが，
穴部の径が導波管径に対して比較的大（２７３以上）で
ある場合はマイクロ波電界の定在化が可能であり，容量
性のインピーダンス窓としても作用するものと判断され
る。

前記導波管の絞り機構は真空室外部に存在しても、真空
室内部に存在してもよいが、真空室内部に存在する場合
は高密度プラズマが生じると端部にスバツタが起り易い
ため、直接プラズマに接し？い様に絶縁体で覆われてい
ることが望ましい。

前記真空室内の磁場強度がマイクロ波の導入経路に沿っ
て電子サイクロトロン共鳴条件以上から減少し、前記導
波管の絞り機構部において電子サイクロトロン共鳴条件
となる様に設定することは、マイクロ波の反射を減らし
、マイクロ波を効率的に絞り機構部に導くために望まし
い。

前記真空室内の磁場強度が電子サイクロトロン共鳴条件
より大の領域へのガス供給系と，電子サイクロトロン共
鳴条件より小の領域へのガス供給系とを有することは、
特にプラズマ化学蒸着を行う場合に望ましい。シリコン
酸化膜（例えばＳｉｎ２膜）や、シリコン窒化膜（Ｓｉ
Ｎ膜）を形成する場合には，酸素ガス０２や窒素ガスＮ
２を磁場強度大の領域に導入し、ＳｉＨ４等のＳＬ含有
ガスを磁場強度小の領域に導入して、選択的に０■やＮ
２を励起することによって良好な絶縁膜が得られる。

［実施例］ 実施例１． 以下，本発明の一実施例を第ｌ図〜第５図によ？て説明
する． 先ず，第１図にしたがって全体構成を説明すると、プラ
ズマ発生部１は、マイクロ波導波管２の内部に設けられ
，石英またはアルミナ製による放電管３によって，真空
と大気の分離およびマイクロ波の透過が可能となってい
る。試料室４の内部に試料台５があり，これは電気的に
は浮遊にも電位を与えることにも可能な構成になってい
る。被処理試料６は試料台５の上に載置される。ガス供
給系７および８は、真空室内の磁場強度が異る領域へガ
スを供給するためのものである。処理後の排ガスは、排
気口９から排気される。マグネトロン１０で発生したマ
イクロ波（２．４５ＧＨｚ）は導波管２によってプラズ
マ発生部１に導かれるが、導波管２のプラズマ発生部付
近の形状は円形であり．この部分のマイクロ波の伝播モ
ードはＴＥ■、になる様な構成としてある。プラズマ発
生部ｌの周囲には磁気コイル１１が周設され，電子サイ
クロトロン共鳴条件を満足する磁界（８７５Ｇ）を発生
させるが，磁場の分布はマイクロ波の導入部位が大にな
る様に設置する。この構成で、電子サイクロトロン共鳴
によってプラズマを発生させることが可能であるが、マ
イクロ波の伝播、吸収は電子サイクロトロン共鳴点まで
のプラズマ密度とその分布に大きく依存するため、わず
かの磁場強度、磁場分布の変動によって、プラズマ処理
速度やプラズマ処理速度の均一性が大幅に変動し易い。

このため本装置の場合には、導波管２の一部に導体によ
る絞り機構ｌ２を設置し、マイクロ波電界を定在化させ
るとともに磁気コイル１１による磁場の強度を調整し、
絞り機構部位の磁場強度を電子サイクロトロン共鳴条件
（８７５Ｇ）とする。絞り機構１２によるマイクロ波電
界の定在化効果は、磁気コイルｌ１の電流を変化させ電
子サイクロトロン共鳴点を移動させることにより確認で
きる。或膜速度等のプラズマ処理速度は、電子サイクロ
トロン共鳴点が絞り機構１２の位置に一致した時に極大
となる。

導波管形状が円形の場合，その基本モードは、ＴＥ１１
であり、導波管２の内部には第２図に模式的に示す様な
電界ｌ３が誘起される。

絞り機構１２の構造としては、第３図（平面図）に示す
様に導体板の張り出しでよく、また、第４図に示す様に
導体スタブの挿入によってもよい。

これら絞り機構の突出は、第２図に示した電界ｌ３に平
行な方向に張り出すことが効果的であり、導波管２内面
の誘導電流が張り出し部１２に引き出され、かつその流
れが遮断されることによって、マイクロ波電界の定在化
が起こるものと考えられる。

導波管の絞り機構１２の構造としては、第５図（平面図
）に示す様な円環状のものでも同様に効果的である。こ
の例のように円環状の窓のある場合は、誘導電流が円環
に沿って流れることが可能であるので基本的には誘導性
のインピーダンス窓であるが，これが容量性のインピー
ダンス窓として作用することは、第２図に示したマイク
ロ波電界の形状から理解できる。

実施例２． 第１図の実施例では、絞り機構１２を真空室外の放電管
３の外周部に設置したが、本発明においては、第６図，
第７図にその要部断面を示す様に、真空室１の内部に設
置することも可能である。この場合もマイクロ波電界の
定在化は、電子サイクロトロン共鳴点の移動による処理
速度の変化によって確認される．絞り機構１２を真空室
内に設置する場合は，端部のスパッタが起こらない様に
、第７図に示す様に放電管３の開口端から少しずらし、
直接プラズマに接しない様な構成とするが、第６図に示
す様に絶縁体１４で覆うことが望ましい。第６図では、
絶縁体１４は絞り機構ｌ２の一方の面のみを覆っている
が、安定なプララズマ生成域は絶縁体１４の端部で規定
されるため、片面のみを覆った場合でもその効果がある
。

実施例３． 以下、第ｌ図に示した本発明装置をプラズマ化学蒸着処
理（ＣＶＤ）に用いた場合について説明する。ガス導入
系７から水素を１０ｃｃ／分導入し、ガス導入系８から
ＳｉＨ４を２０ｃｃ／分導入し，圧カ０．３〜２ｍＴｏ
ｒｒの条件で水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：
Ｈ）の形成を検討した。基板温度は２００’Ｃ、マイク
ロ波パワーは５０〜３００Ｗとした。

先ず，絞り機構１２がない比較例の場合は、或膜速度お
よびその均一性は磁場強度およびその勾配に大きく依存
し、コイル電流の２％程度の変動で２０〜５０％の成膜
速度の変動が起り、同一条件に設定した場合でもコイル
抵抗の加熱変動により再現性が悪かった。得られたａ−
Ｓｉ：Ｈ膜の屈折率は３．４程度で低密度の膜となった
。

一方、本発明の絞り機構ｌ２を設置し、電子サイクロト
ロン共鳴点を絞り機構部位に設定した装置の場合は、成
膜速度の再現性は±３％に維持でき，均一性も良好であ
った．得られたａ−Ｓｉ：Ｈ膜の屈折率は３．６〜３．
７程度で高密度の膜が得られ、エアマス１．５の擬似太
陽光照射時の光導電率は１０−５〜３　Ｘ　１０−’Ｓ
／ａ＋＋であった。これに対する従来の空洞共振器型の
或膜装置を用いた成膜の報告例は光導電率が１０−’Ｓ
／国程度である。

実施例４． 次に、上記実施例３と同様にしてガス導入系８から．　
ＳｉＨ４とＧ　ｅ　Ｈ　，の混合ガスを導入し．　Ｓｉ
とＧｅの組威比が１：１のａ−ＳｉＧｅ：　Ｈ合金膜の
形成を検討した。その結果、或膜速度１０Ａ／ｓ以上で
、光導電率が１０′″’Ｓ／ａｍ以上の合金膜を得た。

なお、絞り機構ｌ２を設置しない比較例の場合には、１
０−＠Ｓ／ｃｎ以上の光導電率の合金膜は得られなかっ
た。また、空胴共振器型の成膜装置を用い，このような
良好な光導電率特性を有するａ−ＳｉＧｅ：　Ｈ合金膜
を得たという報告はこれまでになされていない．以上、
本発明装置を用いてプラズマＣＶＤによるａ−Ｓｉ：Ｈ
膜，ａ−ＳｉＧｅ：　Ｈ合金膜の成膜例について述べた
が、本発明はその他、窒化膜（ＳｉＮ）　、酸化膜（例
えばＳｉｎ，　）等の絶縁膜の成膜にも，また、或膜原
料として、原料ガスを導入する代わりに、例えば磁性合
金や炭素等のターゲットを真空室内に配設し、これをプ
ラズマでスパッタリングすることにより試料基板上にス
パッタ磁性膜を、さらにはその上にスバッタ炭素保護膜
を形成するといった磁気記録媒体の製造例のように、ス
パッタ成膜することも有効である。

また，成膜とは逆に所定の反応ガスを導入し、試料基板
をプラズマエッチング処理し、基板上に所定のパターン
を形成することも有効である。

さらにまた，これらの或膜やプラズマエッチング処理の
他、例えば，シリコン基板表面を酸素プラズマで処哩し
て基板表面を酸化して酸化膜を形成するといったように
所定の反応ガスを導入して基板表面を化学処理する表面
処理方法についても有効である． ［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によればプラズマ処理の最適
化が容易であり、プラズマ処理の再現性が大幅に向上す
る。したがって，成膜もしくはエッチング処理さらには
基板の表面処理においては，従来困難であった高特性膜
を，高速で成膜することが可能となり、さらにはプラズ
マエッチングや基板表面を化学処理する表面処理方法に
ついても従来以上に処理性能の向上効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のマイクロ波プラズマ処理装
置の要部概略縦断面図，第２図は円形導波管横断面内の
ＴＥ１１モードの電界の模式図、第３図〜第５図は導波
管内の絞り機構部の横断面図，第６図および第７図は本
発明の他の実施例のマイクロ波プラズマ処理装置の要部
縦断面図である。 図において、 １・・・放電室　　　２・・・導波管　　　３・・・放
電管４・・・試料室　　　５・・・試料台　　　６・・
・試料７、８・・・ガス導入系　　　　　　　９・・・
排気口１０・・・マグネトロン　　　　　　　　ｌ２・
・・絞り機構ｌ４・・・絶縁体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空室と、この真空室にマイクロ波電力を供給する
   導波管と、前記真空室内の少くとも一部に磁場を形成す
   る手段と、前記真空室内に放電ガスを導入する手段と、
   前記真空室内に被処理試料を保持する手段とを備え、前
   記真空室の一部をプラズマ生成室とすると共にマイクロ
   波を導入するプラズマ処理装置において、前記導波管の
   内部に前記真空室の一部を形成し、かかる真空室の一部
   を内包する導波管の一部に表面電流を遮断して電界を定
   在化させるマイクロ波の絞り機構を配設すると共に、こ
   の絞り機構の位置の磁場強度を電子サイクロトロン共鳴
   を満足する磁場強度とする磁場印加手段を有して成るプ
   ラズマ処理装置。 ２、上記導波管の絞り機構を、板状導体または導体スタ
   ブで構成して成る請求項１記載のプラズマ処理装置。 ３、上記導波管の絞り機構を、少くとも導波管内のマイ
   クロ波の基本モードの電界方向に平行に突出した構造と
   して成る請求項１もしくは２記載のプラズマ処理装置。 ４、上記導波管の絞り機構を、円環状導体で構成して成
   る請求項１、２もしくは３記載のプラズマ処理装置。 ５、上記導波管の絞り機構を、上記真空室外部に配設し
   て成る請求項１、２、３もしくは４記載のプラズマ処理
   装置。 ６、上記導波管の絞り機構を、上記真空室内部に配設す
   ると共に、その少なくとも一部を絶縁体で覆い直接プラ
   ズマに接しない構造として成る請求項１、２、３、４も
   しくは５記載のプラズマ処理装置。 ７、上記真空室内の磁場強度がマイクロ波の導入経路に
   沿って電子サイクロトロン共鳴条件以上から減少し、上
   記導波管の絞り機構部において電子サイクロトロン共鳴
   条件となるよう上記磁場印加手段を設定して成る請求項
   １、２、３、４、５もしくは６記載のプラズマ処理装置
   。 ８、上記真空室内の磁場強度が電子サイクロトロン共鳴
   条件より大の領域へ送給する第１のガス導入系と、前記
   真空室内の磁場強度が電子サイクロトロン共鳴条件より
   小の領域へ送給する第２のガス導入系とを有して成る請
   求項１、２、３、４、５、６もしくは７記載のプラズマ
   処理装置。 ９、請求項１ないし８記載のいずれかのプラズマ処理装
   置の上記真空室内に、少なくとも放電ガスを導入すると
   共に、前記真空室内に被処理基板を保持し、プラズマ処
   理を施して成るプラズマ処理方法。 １０、上記真空室内に、放電ガスとＣＶＤガスとを導入
   すると共に、前記真空室内に被処理基板を保持し、プラ
   ズマ処理を施してプラズマ化学蒸着する請求項９記載の
   プラズマ処理方法。 １１、上記真空室内に、放電ガスと成膜原料ターゲット
   とを導入すると共に、前記真空室内に被処理基板を保持
   してプラズマ処理を施すことにより、前記ターゲット構
   成物質をスパッタリングにより前記被処理基板上に成膜
   して成る請求項９記載のプラズマ処理方法。 １２、上記真空室内に、放電ガスとエッチングガスとを
   導入すると共に、前記真空室内に被処理基板を保持して
   プラズマ処理を施すことにより、前記被処理基板をプラ
   ズマエッチングして成る請求項９記載のプラズマ処理方
   法。 １３、上記真空室内に、放電ガスと反応性ガスとを導入
   すると共に、前記真空室内に被処理基板を保持してプラ
   ズマ処理を施すことにより、前記被処理基板表面を前記
   反応性ガス成分で化学反応せしめる表面処理方法から成
   る請求項９記載のプラズマ処理方法。 １４、上記反応性ガスが酸素を含み、上記被処理基板が
   半導体基板からなり、酸素プラズマ処理を施すことによ
   り、前記半導体基板表面に酸化膜を形成する請求項１３
   記載のプラズマ処理方法。 １５、上記半導体基板がシリコン半導体からなり、シリ
   コン半導体基板表面にシリコン酸化膜を形成する請求項
   １４記載のプラズマ処理方法。