JPH03224225A - マイクロ波プラズマ処理方法および装置 - 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、マイクロ波プラズマ処理方法および装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来のマイクロ波プラズマ処理装置は、固定された導波
管等により反応室内にマイクロ波電磁界強度の不均一が
生じたり、マイクロ波のモードによって電界強度に不均
一があって、試料を均一に処理することができないとい
う問題があった。

これらの問題を解決するものとして、例えば、特開昭６
２−４０３８０号公報に記載のように、反応室内にマイ
クロ波の電磁界と基体との相対関係を変化させる機能を
有するマイクロ波撹乱手段、例えばファンを設け、反応
室内に放射されるマイクロ波の電磁界強度分布の時間積
分を一様にし、基体全面において均一かつ均質な堆積膜
を形成するようにしたものがあった。また、この種と同
種のものとして、特開平０１−１０７５３８号公報が挙
げられる。

また、特公昭６２−５３９２０号公報に記載のように、
放電室の外周に磁界発生コイルを設けたマイクロ波プラ
ズマ装置において、導波管の途中にマイクロ波を円偏波
モードに変換させるモード変換装置を設け、マイクロ波
電界を回転させて電界強度を均一にしプラズマ密度を均
一にして、均一なエツチング作用、ＣＶＤ作用を行わせ
るものがあった。また、この種と同種のものとして、特
開平０１−１７９３２３号公報が挙げられる。

なお、本願発明に関係するものとして、特開昭６２−２
５６４３３号公報および特開平Ｑ１−１４５８１４号公
報が挙げられる。これらは共に処理室を形成する放電管
や絶縁物容器を加熱して反応生成物の付着・堆積を防止
するものである。前者は、放電管の外側で試料の位置す
る下方にマイクロ波吸収体を設けたものである。後者は
、通電可能な導電性薄膜を絶縁物容器に設けたものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、マイクロ波の電界強度の不均一分布を
時間的に均一化して、試料の均一処理を行おうとしたも
のである。ところで、これらマイクロ波の電界強度の不
均一については、導波管形状、電界モード等に起因する
ものであるが、本発明者らは、新たな事実を発見した。

プラズマを発生させるために放電管内に導入したマイク
ロ波が、プラズマ領域あるいは試料台等によって反射さ
れ、この反射されたマイクロ波が導波管内で複雑に反射
され、再びプラズマ発生領域に入射して一部の領域に高
いプラズマ密度を生じさせていることが、本発明者らの
実験によって明らかとなった。このようなプラズマ密度
の空間分布の乱れがあると、試料が均一に処理できない
という問題があった。

本発明の目的は、試料のプラズマ処理にあたって、処理
の均一性を向上させることのできるマイクロ波プラズマ
処理方法および装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的の方法を達成するために、マイクロ波を用いて
プラズマ発生室内で処理ガスをプラズマ化する工程と、
該プラズマによって試料を処理する工程と、プラズマ発
生室内でプラズマ密度の不均一部を形成するマイクロ波
の一部を除外することによってプラズマ発生室内でのマ
イクロ波の電磁界強度分布を均一化させる工程とを有す
るようにしたものである。

また、上記目的の装置を達成するために、導波管内に固
定して設け、プラズマ発生室内に入射ならびに乱反射し
て再入射するマイクロ波のプラズマ発生室内での電磁界
強度分布を均一化させる均一化手段を設けたものである
。

また、上記目的の装置を達成させるために、プラズマ発
生室と、プラズマ発生室内を減圧排気する排気手段と、
プラズマ発生室内に処理ガスを供給するガス供給手段と
、プラズマ発生室内に供給された処理ガスをプラズマ化
するプラズマ化手段と、プラズマ発生室内でプラズマ密
度の不均一部を形成するマイクロ波の一部を除外する手
段とを設けたものである。

また、上記目的の装置を達成させるために、導波管と放
電管との間のマイクロ波伝播空間で且つマイクロ波伝播
方向の試料面位置より前方にマイクロ波吸収手段を設け
たものである。

さらに、上記目的の装置を達成させるために、導波管と
放電管との間のマイクロ波伝播空間内で且つマイクロ波
伝播方向の試料面位置より前方にマイクロ波反射手段を
設けたものである。

〔作　　用］ プラズマを発生させるために放電管内に導入するマイク
ロ波は、プラズマ領域あるいは試料台等によって反射さ
れ、さらに、この反射されたマイクロ波が導波管内で複
雑に反射され、再びプラズマ発生領域に入射する。この
際、プラズマ発生領域に入射及び再入射してプラズマ密
度を局部的に高くするマイクロ波の電磁界を、均一化手
段によって吸収、減衰または拡散させて入射させる。こ
れによって、プラズマの電磁界強度分布が均一化され、
試料を処理するにあたって、処理の均一性が向上する。

また、プラズマ発生室内にてプラズマ密度の不均一部を
形成するマイクロ波の一部を除外する手段を設けること
により、プラズマ発生領域に集中するマイクロ波の一部
を除外でき、放電管内のプラズマの電磁界強度分布が均
一化され、処理の均一性が向上する。

また、導波管と放電管との間のマイクロ波伝播空間で且
つマイクロ波伝播方向の試料面位置より前方にマイクロ
波吸収手段を設けることにより、試料面位置より前方か
ら入射して、プラズマ発生領域に集中するマイクロ波の
一部の伝播を吸収または減衰でき、放電管内のプラズマ
の電磁界強度分布が均一化され、処理の均一性が向上す
る。

さらに、導波管と放電管との間のマイクロ波伝播空間内
で且つマイクロ波伝播方向の試料面位置より前方にマイ
クロ波反射手段をことにより、プラズマ発生領域に集中
して入射及び再入射しようとするマイクロ波を反射・分
散させることができ、マイクロ波のエネルギが減少する
ことなく、放電管内のプラズマの電磁界強度分布が均一
化され、処理の均一・性が向上する。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図により説
明する。

第１図にマイクロ波プラズマ処理装置の概要を示す。処
理室１の下部には、処理室ｌと電気的に絶縁させて試料
台７が設けてある。処理室１の上部には、半球状の石英
製の放電管２を設けて処理室ｌを構成しである。処理室
１内には図示を省略したガス供給装置によって処理ガス
が供給可能になっている。また、図示を省略した排気装
置によって処理室１内を所定圧力に減圧排気可能になっ
ている。放電管２の外側には導波管３が設けてある。導
波管３の外側にはコイル６が設けてある。

導波管３の上部には導波管４がつながり、導波管４を介
してマイクロ波発振器５がつながる。試料台７には、整
合器８を介して高周波電源９がつながっている。導波管
３内の放電管２上部、少なくとも試料台７に配置される
ウェハ１０の処理面よりも上方、すなわち、マイクロ波
が伝播してくる方向の前方、この場合は、放電管２の上
部に該放電管２の頂部を高さ方向の中心とし幅１００ｍ
のリング状の吸収体１３が配置しである。吸収体１３は
、この場合、石英リング１４に酸化すず膜１５を膜付け
（この場合、０．５μｍ厚）して成っているもので、マ
イクロ波の吸収体である。

上記のように構成した装置により、処理室１の内部を真
空排気して減圧するとともに処理ガスを処理室１内に導
入し、処理室１内を所望の圧力に調整する。また、コイ
ル６によって放電管２内を磁場領域にする。さらに、マ
イクロ波発振器５によって導波管４および３を介して放
電管２内に、マイクロ波１１を入射する。この放電管２
内の有磁場にマイクロ波１１を入射させることにより、
放電管２内に処理ガスのプラズマ１２が発生する。この
生成されたプラズマ１２によって試料台７に配置したウ
ェハ１０が処理、この場合、エツチング処理される。ま
た、この場合、ウェハｌＯのエツチング形状を制御する
ために、試料台７に整合器８を介して高周波電力を印加
している。

なお、ここで、放電管２上部に吸収体１３を配置するこ
とにより、導波管３内に伝播して入ってきたマイクロ波
１１の一部及び、放電管２内に生成されたプラズマ１２
あるいは試料台７等によって反射されたマイクロ波１１
の一部が、吸収体１３の酸化すず１５に吸収される。こ
れらマイクロ波１１の一部は、プラズマ１２の領域に入
射または再入射して部分的に高いプラズマ密度を生じさ
せようとするマイクロ波である。残りのマイクロ波１１
は、プラズマ１２の領域に入射及び再入射してプラズマ
発生に寄与する。このように、この場合、吸収体１３を
ウェハ１０の処理面より上方に配置することにより、部
分的に高密度のプラズマを生成させようとして伝播する
マイクロ波の一部を吸収して除外でき、また、このよう
なマイクロ波の一部の伝播を妨害することができるので
、放電管２内、詳しくはプラズマ１２の領域のマイクロ
波電磁界強度分布が均一になり、放電管２内に発生する
プラズマ１２の密度が均一化される。

例えば、処理ガスにＣＨＦ、　を用い、処理ガス流量を
５０　ｃｃ／ｍｉｎとし、処理室内圧力を　１０ｍＴｏ
ｒｒ　とし、２．４５ＧＨｚのマイクロ波をＩＫＷ印加
し、８００ＫＨｚの高周波電力を１００Ｗ印加して、ウ
ェハの処理としてシリコン酸化膜のエツチングを６イン
チのウェハで行い、このときのウェハ１０のエツチング
レートを胴べてみると、第２図に示すように、ウェハの
Ｘ方向及びＹ方向についてもほぼ均一なエツチングレー
トとなった。

また、上記と同じ条件で、吸収体１３を用いずに行なう
と、第３図に示すように、ウェハのＸ方向およびＹ方向
ともウェハの中心部および外周部のエツチングレートが
低く、それらの間で高くなり、全体的に不均一であった
。

なお、この場合、ウェハ１０の処理面位置より上方、す
なわち、マイクロ波が伝播してくる側で試料面より前方
に設ける吸収体１３の詳細な配置位置は、導波管３．放
電管２等の形状によって装置毎に異なるので、その都度
最適位置を確認して設ける必要がある。

以上、本−実施例によれば、放電管２内に入射する導波
管３内のマイクロ波のうち、放電管２内のプラズマ密度
を部分的に高くする一部のマイクロ波を吸収体１３、詳
しくは酸化すず膜１５で吸収させることができるので、
放電管２内のプラズマ密度を均一化することができ、ウ
ェハ処理の均一性を向上させることができるという効果
がある。

また、吸収体１３を放電管２の外側に配置しているので
、吸収体１３はプラズマによって損傷を受けることがな
い。言い替えれば、プラズマは吸収体１３によって汚染
されることがない。

なお、本−実施例では、縦型の装置となっているが、横
型の装置でも同様である。

また、本−実施例では、マイクロ波の吸収材に導電損失
材、すなわち、抵抗材である酸化すずを用いたが、他の
導電損失材、例えば、酸化インジウム、カーボン、カー
ボンを含む材料、これらの混合物等、または誘電損失材
、例えば、水、チタン酸バリウム等、または磁性損失材
、例えば、フェライト、フェライトを含む材料等を用い
ても良い。

また、吸収体１３の上部を延ばし、導波管３まで延ばし
て直接に導波管３に取り付けても良い。また、第４図に
示すように、直接に放電管２外表面に酸化すず膜１５を
膜付けしても良い。さらに、導波管３の内壁面に設ける
ことも有効である。なお、これら吸収体の配置位置は、
第１図、第４図に示すように少なくともマイクロ波伝播
方向のウェハ１０より前方、言い替えれば、プラズマ発
生領域の上方界面（すなわち、ウェハ１０の位置より上
側のプラズマ発生領域の界面）より上側に設けるのが効
果的である。例えば、第４図に示すように放電管２の外
表面に取付けた位置から上側、すなわち、放電管２の上
部空間に向かって上側に、吸収体を設けるのが効果的で
ある。

ちなみに、第５図に示すような放電管２ｂの形状かシル
クハツト形となったマイクロ波プラズマ処理装置を用い
て、マイクロ波吸収体の最適位置を調べてみた。なお、
本図において第１図と同一部材は同符号で示してあり、
説明を省略する。本装置では、放電管２ｂの外側に石英
製の円筒１４ｂを設け、円筒１４ｂの円周にマイクロ波
吸収材である、この場合、酸化インジウムを蒸着したポ
リイミドフィルム１５ｂを貼付、た。なお、酸化インジ
ウムの蒸着は、この場合、スパッタ法によって行い、シ
ート抵抗が３７７Ω／口になるように設定しである。こ
れは、真空および大気中の特性インピーダンスが約３７
７Ωであり、抵抗膜のシート抵抗がこれに一致したとき
に、最も効率曳くマイクロ波を吸収するからである。

このような装置において、マイクロ波吸収体であるポリ
イミドフィルム１５ｂの大きさおよび取付は位置を変え
て、前記一実施例と同様の条件でシリコン酸化膜をエツ
チグ処理した。その結果を第６図および第７図に示す。

第６図は、ウェハ１０の上面からポリイミドフィルム１
５ｂの中心までの距離とエツチングレートのバラツキ度
合（均一性）との関係を示した図である。なお、本図に
おいて、実線はポリイミドフィルム１５ｂの幅を５０ｍ
ｍにしたもので、−点鎖線はポリイミドフィルム１５ｂ
の幅を１００皿にしたものを示す。なお、点線は放電管
２ｂの上端位置を示す。第６図によれば、ポリイミドフ
ィルム１５ｂ、すなわち、マイクロ波吸収体の上端が少
なくとも放電管の上端から上側に出て配置される場合に
均一性が良くなることが分かる。

第７図は、導波管３の側壁内面からポリイミドフィルム
１５ｂまでの距離とエツチングレートのバラツキ度合（
均一性）とを示した図である。なお、本図においては、
ポリイミドフィルム１５ｂの幅は１００−のものを使用
し、実線がエツチングレートのバラツキ度合（均一性）
を示し、二点鎖線がエツチングレートを示す。また、破
線はマイクロ波吸収体を用いない場合のエツチングレー
トのバラツキ度合を示し、−点＄１１はマイクロ波の管
内波長の１／４の位置を示す。第７図によれば、導波管
３の側壁内面からマイクロ波吸収体までの距離が、マイ
クロ波の管内波長の１／４の距離に近づくに従い均一性
が良くなることが分かる。しかし、第８図のようにマイ
クロ波吸収体（この場合、ポリイミドフィルム１５ｂ）
を導波管３の側壁内面に設けた場合でも、マイクロ波吸
収体を用いない場合に比べると格段に均一性が向上して
いることが分かる。但し、マイクロ波が吸収されて均一
性が向上する分、エツチングレートは減少している。

ちなみに、マイクロ波吸収体を導波管３の側壁内面に設
けた場合のバラツキ度合は、マイクロ波吸収体を用いな
い場合のバラツキ度合の約１／３であった。

次に、本発明の第２の実施例を第９図により説明する。

本図において、第１図と同一部材は同符号で示し、説明
を省略する。本図が第１図と異なる点は、第１図の放電
管２内のマイクロ波の電磁界強度分布を均一化する手段
である吸収体１３の代わりに、マイクロ波を反射・分散
させる反射体１６を放電管２上方に設けた点である。こ
の場合、反射体１６は、アルミニウム製の円錐状の管で
あり、導波管３に取り付けである。反射体１６は導波管
３を介して接地されている。

上記のように構成した装置により、前記一実施例のよう
にして放電管２内にプラズマを発生させた場合、導波管
内３内に伝播して入ってきたマイクロ波１１の一部及び
、放電管２内に生成されたプラズマあるいは試料台７等
によって反射されたマイクロ波１１の一部が、反射体１
６に当たって反射・分散される。これらマイクロ波の一
部は、プラズマ領域１２に入射及び再入射して部分的に
高いプラズマ密度を生じさせようとするマイクロ波であ
る。

残りのマイクロ波は、反射体１６によって反射・分散さ
れたマイクロ波とともにプラズマ領域１２に入射及び再
入射して、プラズマ発生に寄与する。このように、この
場合、反射体１６をウェハ１０の処理面より上方に配置
することにより、部分的に高密度のプラズマを生成させ
ようとして伝播するマイクロ波の一部を反射・分散して
除外でき、また、このようなマイクロ波の一部の伝播を
妨害することができるので、放電管２内、詳しくはプラ
ズマ領域１２のマイクロ波電磁界強度分布が均一になり
、放電管２内に発生するプラズマ１２の密度が均一化さ
れる。なお、反射体１６は、接地することによりマイク
ロ波電界によって誘導されることがないので、マイクロ
波を確実に反射することができる。

以上、本第２の実施例によれば、放電管２内に入射する
導波管３内のマイクロ波１１のうち、放電管２のプラズ
マ密度を部分的に高くする一部のマイクロ波を反射体１
６によって反射・分散させることができるので、マイク
ロ波のエネルギを減少させることなく、放電管２内のプ
ラズマ密度を均一化することができ、ウェハ処理の均一
性を向上させる二とができるという効果がある。

また、反射体１６を放電管２の外側に配置しているので
１反射体１６はプラズマによって損傷を受けることがな
い。言い替えれば、プラズマは反射体１６によって汚染
されることがない。なお、反射体１６の大きさ、形状、
取付は位置等は、導波管３の形状等によって装置毎に異
なるので、その都度最適なものとする必要がある。

なお、本第２の実施例では、テーパ状の管の反射体を導
波管３に取り付けているが、第１０図に示すように導波
管３の内面に凹凸状の反射体１７を設けても良い。なお
、凹凸状は山形、波形等であっても良く、場合によって
連続または不連続に設けられる。

さらに、これら実施例では導波管３に断面積が不連続の
拡大管を用いているが、断面積が連続的に変化するテー
パ形状の拡大管であっても良い。

また、これら実施例ではコイル６を用いた有磁場マイク
ロ波プラズマ処理装置の場合について述べたが、磁場を
用いないものであっても良い。

また、これら実施例では処理室１内にプラズマ１２の発
生領域が形成されているが、プラズマ１２の発生領域は
処理室１の空間と分けて形成されるものでも良い。

また、これら実施例ではプラズマ処理としてエツチング
の場合について述べたが、ＣＶＤやスパッタ処理の場合
であっても、このようにしてプラズマ密度を均一にする
ことにより、試料の均一な処理が可能となる。

さらに、これらのように吸収体及び反射体をそれぞれに
用いて良いことはいうまでもないが、これらを組み合わ
せて用いてマイクロ波電磁界強度の均一化を行うことも
可能である。

〔発明の効果］ 本発明によれば、試料のプラズマ処理にあたって、処理
の均一性を向上させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるマイクロ波プラズマ処
理装置を示す概略図、第２図は本発明によるエツチング
速度分布を示す図、第３図は従来のエツチング速度分布
を示す図、第４図は第１図の吸収体部の他の実施例を示
す図、第５図は第１図の放電管形状を変えたマイクロ波
プラズマ処理装置を示す概略図、第６図は第５図の装置
によるマイクロ波吸収体の高さ位置とエツチング速度の
バラツキ度合（均一性）との関係を示す図、第７図は第
５図の装置によるマイクロ波吸収体の径方向の位置とエ
ツチング速度のバラツキ度合（均一性）およびエツチン
グ速度との関係を示す図、第８図は第５図の吸収体部の
他の実施例を示す図、第９図は本発明の第２の実施例で
あるマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略図、第１０
図は第９図の反射体部の他の実施例を示す図である。 ２．２ｂ・・・・放電管、３・・・・導波管、７・・・
・試料台、１１・・・・マイクロ波、１３・・・・吸収
体、１５・・・・酸化すず膜、１５ｂ・・・・ポリイミ
ドフィルム、１６゜第 図 第 図 第 図 第 図 ウェハ中心 第 ８ 図 第 図 吸収体までの距離（暉） 吸収体までの距離（胴）

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．マイクロ波を用いてプラズマ発生室内で処理ガスを
   プラズマ化する工程と、該プラズマによって試料を処理
   する工程と、前記プラズマ発生室内でプラズマ密度の不
   均一部を形成するマイクロ波の一部を除外することによ
   ってプラズマ発生室内でのマイクロ波の電磁界強度分布
   を均一化させる工程とを有することを特徴とするマイク
   ロ波プラズマ処理方法。
2. ２．マイクロ波を用いて処理ガスをプラズマ化し該プラ
   ズマによって試料をプラズマ処理するマイクロ波プラズ
   マ処理装置において、導波管内に固定して設け、プラズ
   マ発生室内に入射ならびに乱反射して再入射するマイク
   ロ波のプラズマ発生室内での電磁界強度分布を均一化さ
   せる均一化手段を具備したことを特徴とするマイクロ波
   プラズマ処理装置。
3. ３．前記均一化の手段は、マイクロ波を吸収する部材ま
   たは反射する部材さらにはこれらを組み合わせたもので
   なる請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. ４．前記マイクロ波吸収部材は、抵抗膜である請求項３
   記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
5. ５．前記マイクロ波吸収部材は、フィルム上に抵抗膜を
   設けた導電フィルムである請求項３記載のマイクロ波プ
   ラズマ処理装置。
6. ６．前記抵抗膜がシート抵抗３７７Ω／口ならびに該近
   傍の抵抗値を有する請求項５記載のマイクロ波プラズマ
   処理装置。
7. ７．前記抵抗膜が酸化すず，酸化インジウム，カーボン
   あるいはこれらの混合物である請求項５記載のマイクロ
   波プラズマ処理装置。
8. ８．前記マイクロ波吸収部材の上端が少なくともプラズ
   マ発生領域の上方界面より上方に設けてある請求項３記
   載のマイクロ波プラズマ処理装置。
9. ９．前記マイクロ波吸収部材が、導波管側壁内壁面に設
   けられる請求項３記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
10. １０．前記マイクロ波吸収部材が、導波管側壁内壁面か
    らマイクロ波の管内波長の１／４の距離までの間に設け
    られる請求項３記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
11. １１．前記マイクロ波吸収部材が、導波管側壁内壁面か
    らマイクロ波の管内波長の１／４の距離またはその近傍
    に設けられる請求項３記載のマイクロ波プラズマ処理装
    置。
12. １２．前記マイクロ波反射部材が接地されている請求項
    ３記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
13. １３．プラズマ発生室と、前記プラズマ発生室内を減圧
    排気する排気手段と、前記プラズマ発生室内に処理ガス
    を供給するガス供給手段と、前記プラズマ発生室内に供
    給された処理ガスをプラズマ化するプラズマ化手段と、
    プラズマ発生室内でプラズマ密度の不均一部を形成する
    マイクロ波の一部を除外する手段とを有することを特徴
    とするマイクロ波プラズマ処理装置。
14. １４．マイクロ波を用いて処理ガスをプラズマ化し試料
    をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置におい
    て、導波管と放電管との間のマイクロ波伝播空間で且つ
    マイクロ波伝播方向の試料面位置より前方にマイクロ波
    吸収手段を設けたことを特徴とするマイクロ波プラズマ
    処理装置。
15. １５．前記マイクロ波吸収手段は、リング状である請求
    項１４記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
16. １６．前記マイクロ波吸収手段は、放電管の外表面に膜
    付けされたものである請求項１４記載のマイクロ波プラ
    ズマ処理装置。
17. １７．前記マイクロ波吸収手段は、放電管を囲む導波管
    側壁内壁面に膜付けされたものである請求項１４記載の
    マイクロ波プラズマ処理装置。
18. １８．マイクロ波を用いて処理ガスをプラズマ化し試料
    をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置におい
    て、導波管と放電管との間のマイクロ波伝播空間内で且
    つマイクロ波伝播方向の試料面位置より前方にマイクロ
    波反射手段を設けたことを特徴とするマイクロ波プラズ
    マ処理装置。
19. １９．前記マイクロ波反射手段は、円錐状の管である請
    求項１８記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
20. ２０．前記マイクロ波反射手段は、放電管を囲む導波管
    内壁面に設けてなる請求項１８記載のマイクロ波プラズ
    マ処理装置。