JPH03290926A - プラズマ装置及び該装置の使用方法 - 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】 星菓よ匹刊ユ旦Ｉ 本発明はプラズマ装置及び該装置の使用方法に関し、よ
り詳しくはプラズマを利用する工業技術全般、例えば、
ＣＶＤ法、エツチング法、表面改質法、スパッタ法等を
行なうための各装置とその使用方法に関する。

従来の技（ホｊ プラズマを発生させる方法には、直流１５１．電、低周
波放電、高周波放電によるちのがあるが、これらの方法
においてはプラズマ中の荷電粒子（電子、イオン）のエ
ネルギあるいは密度が低く、プラズマによる効果が小さ
いという問題があった。

これに対し、マイクロ波を用いてプラズマを発生させる
マイクロ波プラズマ装置、またこのプラズマに磁界を印
加して電子をサイクロトロン運動させる有磁場マイクロ
波プラズマ装置、あるいは電子サイクロトロン共鳴を用
いる電子サイクロトロン共鳴励起プラズマ（ＥＣＲプラ
ズマ）装置の開発が盛んに行なわれており、これらの装
置においては、高いエネルギあるいは密度を有するイオ
ンとこの衝撃により輸送される粒子とが得られるという
特徴がある。

特にＥＣＲプラズマ装置では、例えば特開昭５１−７１
５９７号公報のイオン加工装置に開示されているように
、低圧力でのプラズマ生成が可能であり、イオン間の平
均自由工程が中性分子のそれに比べて半分長いため、方
向性の揃ったイオンビームが得られるという特徴がある
。また、特開昭５６−１５５５３５号公報のプラズマ悶
着装置に開示されているように、発散磁界による両極性
拡散輸送効果を利用して、ＥＣＲ点から離れた被処理基
板に対してイオンビームが照射されるため、被処理基板
の温度上昇を抑制できるという特徴がある。

さらに本発明者が先に提案したＥＣＲプラズマ装置（特
願昭６３−３３０８０４号）では、例えばエピタキシャ
ル膜を形成する前に、被処理基板にＡｒプラズマあるい
はＡｒとＨ２の混合プラズマを照射し、いわゆる前処理
を行なうことができ、このことによってその表面の自然
酸化膜を除去し、被処理基板表面を清浄にすることがで
きるという特徴がある。すなわち、本発明者が提案した
ＥＣＲプラズマ装置には第７図に示した様に、共振室１
１と試料室１２とからなる真空容器１０内に、石英等の
マイクロ波透過性材料で形成された一端開口状のプラズ
マ放電管１３が配設されており。

共振室１１の上部には、マイクロ波を共振室ｌｌ内に導
入するための導波管１５がマイクロ波導入窓１４を介し
て形成されている。この導波管１５の一部と共振室１１
との周りには直流電源に接続される電磁コイル１６が配
設されており、また試料室１２の一側壁には、膜形成用
ガス又はエツチング用ガスを試料室１２内に供給するガ
ス供給機構１７と、試料室１２内を排気するための真空
ポンプ１８が接続されているわ このような装置を用いて前処理を行なう場合には、プラ
ズマ放電管１３内にＡｒプラズマあるいはＡｒとＨ２の
混合プラズマを発生させ、これらのプラズマをプラズマ
放電管１３の下方に載置されたＳｉ基板等の被処理基板
Ｓに照射すると、その表面の自然酸化膜がエツチングさ
れて除去されるようになっている。

日が　２しよ　とする１ しかしながら、本発明者が提案した上記装置においては
、プラズマ中の高速イオンが、プラズマ放電管１３の開
口部分から飛び出し、真空容器１０の内壁に到達してこ
れをスパッタし、真空容器１０の構成成分である金属原
子が被処理基板Ｓ表面に１０”原子／ｃｍ”以上の高密
度で付着して、被処理基板Ｓを汚染する場合があった。

また、従来のＥＣＲプラズマ装置においては、例えば半
導体工業材料として汎用されるＳｉ基板を被処理基板と
する場合、「応用物理、第５７巻、第１１号（１９８８
１，ｐｐ、１７．２１−１？２７Ｊに示されているよう
に、被処理基板を照射するプラズマからのイオンのエネ
ルギは少なくとｕ２０ｅＶであるのに対して、被処理基
板である３１基板の結晶中の原子の変位エネルギは１２
．１ｅＶである（Ｇ、　Ｃａｒｔｅｒａｎｄ　Ｊ、Ｓ、
ＣｏｌＣｏ１１ｉ：　　Ｉｏｎ　Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎ
ｔ　ｏｆ　ＳｏｌｉｄｓｆＨｅｉｎｅｍａｎ　Ｅｄｕｃ
ａｔｉｏｎａｌ　Ｂｏｏｋ　Ｌｔｄ、、Ｌｏｎｄｏｎ、
１９６８）ｐ、　２１４より引用）、従って、イオンエ
ネルギが２０ｅＶ以上の例えばＡｒプラズマ照射によっ
て、被処理基板のＳｉ単結晶が容易に損傷し、Ｓｉ単結
晶中に高密度の結晶欠陥が発生して、半導体材料として
の電気的特性が失われるという問題があった。

上記した被処理基板の損傷及び金属汚染の問題の解決は
、最近のＥＣＲプラズマ装置における大きな課題であり
、そのためには被処理基板に照射するプラズマ中のイオ
ンエネルギを、被処理基板の結晶が損なわれずかつ金属
汚染され難くく、しがち効果が得られる程度にまで低く
抑えることが必要であると考えられる。

ところで一般に、ＥＣＲプラズマ装置は、装置内のプラ
ズマ放電領域のガス圧力を、ガス注入及び真空排気によ
って所定の範囲、例えばｌ×１０−２〜ＩＰａ程度に維
持し、また装置に印加する磁界の磁束密度を所定の範囲
、例えば８．７５Ｘ１０−２±５Ｘ１０−２Ｔ程度とし
た場合、装置に例えば１００Ｗ／　３００ｃｍ”程度の
電力密度でマイクロ波を導入すれば、瞬時にプラズマが
点灯する構成となっている。このプラズマの点灯は、プ
ラズマ放電領域内、例えば第７区のプラズマ放電管１３
内の電子がマイクロ波によって加速され、他の中性原子
を電離する過程の反復（以下、電子倍増過程という）に
より主しるものである。最初の電子は、宇宙線の照射に
よるプラズマ放電管１３内での中性原子の電離、プラズ
マ放電管１３内壁からの電子の放射、プラズマ放電管１
３外からの電子の侵入等によって提供される。

しかしながら、上記したように被処理基板Ｓに照射する
イオンエネルギを低くすべく、プラズマ１′Ｊ！ｌ電領
域に供給されるマイクロ波電界強度を低くすると、上記
した電子倍増過程はプラズマ放電領域の一部、例えばプ
ラズマ放電管１３内のマイクロ波導入窓］４付近でのみ
発生する。従−つで、この部分に電子が存在しない場合
には、電子倍増過程が生じずプラズマを点灯できない。

またＥＣＲプラズマ装置には、上記したように磁界が印
加されるので、磁界の発散領域では、電子はサイクロト
ロン運動をしつつ低磁束密度側に移動する。一般に、磁
界の無い真空空間では、電子は容易に拡散移動するが、
電子倍増領域が発散磁界の高密度側に局在している場合
には、発散磁界下で高磁束密度側への電子供給が途絶す
るとプラズマが点灯できないという問題があった。

この対策として、−旦マイクロ波電界強度を高くしてプ
ラズマを点灯させた後、マイクロ波電界強度を下げるこ
とが考えられるが、Ａｒイオン照射によるエピタキシャ
ル成長の前処理等のように、短時間であってちエネルギ
の高いイオンの照射が問題になる場合には適用できない
という欠点があった。

本発明は上記した課題に鑑みなされたものであり、イオ
ンエネルギの低いプラズマを容易にしかち確実に点灯さ
せることができるプラズマ装置及び該装置の使用方法を
提供することを目的とする。

課題を解決する為の　段 上記した目的を達成するために本発明に係るプラズマ装
置は、マイクロ波導入機構、磁界発生機構及び真空容器
等を備えると共に、電子発生源が前記真空容器に添設さ
れていることを特徴とし、また、マイクロ波導入機構、
磁界の発生機構及び真空容器等を備えると共に、ガス供
給口及びガス排気口を備えた略密閉構造のプラズマ放電
管の内部をプラズマ放電領域とするプラズマ装置であっ
て、前記ガス排気口を経由して前記プラズマ放電管の内
部に電子線を照射する電子銃を備えでいることを特徴と
している。

さらに、上記プラズマ装置の使用方法であって、Ｓｉ基
板を５００℃以上に加熱した後、Ａｒプラズマによって
前記Ｓｉ基板の表面を清浄化し、この後５Ｉ８４プラズ
マにより前記３１基板表面に単結晶Ｓｉを二悔°タキシ
ャル成長させることを特徴としている。

住Ｂ 上記したプラズマ装置によれば、マイクロ波鐸入機構、
磁界発生機構及び真空容器等を備えると共に、電子発生
源が前記真空容器に添接されているので、プラズマ装置
を駆動すると、プラズマ発生領域内でプラズマが発生し
、発散磁界が形成されて、発生したプラズマが発散磁界
により低磁束密度側に輸送される。またその一方で、電
子発生源のフィラメントから熱電子が放出され、発散６
ｎ界による電子の輸送に逆らって、プラズマ発生領域内
の高磁束密度側である高マイクロ波電界領域、すなわち
電子倍増領域に熱電子が供給される。このことにより、
低電力のマイクロ波を導入した場合において６、プラズ
マ発生領域内の電子倍増領域τ、プラズマ発生領域内の
電子がマイクロ波電界により加速されて他の中性原子を
電離する過程の反復（プラズマの点灯）が、再現性良く
安定して行われる。そして、この点灯したプラズマ中の
低エネルギイオンが３１基板等の被処理基板に昭射され
ることになり、損傷のない清浄な被処理基板が得られる
。また、真空容器の側壁はプラズマ中の１氏エネルギイ
オンにスパックされにくいため、被処理基板に金属汚染
の少ない膜が形成される。

また、マイクロ波導入機構、磁界の発生機構及び真空容
器等を備えると共に、ガス供給口及びガス排気口を備え
た略密閉構造のプラズマ放電管の内部をプラズマ放電領
域とするプラズマ装置であって、前記ガス排気口を経由
して前記プラズマ放電管の内部に電子線を照射する電子
銃を備えている場合には、前記プラズマ放電管内でプラ
ズマが発生すると共に、前記電子銃からの電子線の照射
により、前記プラズマ放電管内の電子倍増領域に電子が
効率的に供給される。このため、低電力のマイクロ波を
導入した場合においても、前記プラズマ放電管内の電子
倍増領域でプラズマの点灯が再現性良く、安定して行な
われ、被処理基板に低エネルギイオンが安定して照射さ
れる。また、前記プラズマ放電管は略密閉構造であるの
で、前記真空容器はプラズマ中のイオンにスパックされ
にくく、たとえプラズマ放電管の外へプラズマが飛び出
してち、前記イオンは低エネルギであるため、真空容器
はスパッタされにくい。従って、結晶欠陥の少ない清浄
な被処理基板が得られ、被処理基板に金属汚染のない膜
が形成される。

さらに、上記したプラズマ装置の使用方法によれば、上
記したプラズマ装置を用いてＳｉ基板を５００℃以上に
加熱した後、Ａｒプラズマによって前記Ｓｉ基板の表面
を清浄化し、この後ＳｉＨ４プラズマにより前記Ｓｉ基
板表面に単結晶Ｓ１をエピタキシャル成長させるので、
結晶の損傷のないＳｉ基板表面に金属汚染の少ない単結
晶を成長させた良好なウェハが得られる。

丈思例 以下、本発明に係るプラズマ装置及び該装置の使用方法
の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係るプラズマ装置の一例としてのＥＣ
Ｒプラズマ装置を模式的に示した断面図であり、図中１
１は略円筒形状の共振室を示している。共振室１１の上
部には、２５〜５０Ｗの電力のマイクロ波を共振室１１
に導入するための導波管１５が、石英ガラス等からなる
マイクロ波導入窓１４を介して形成されており、共振室
１１の周りには磁界発生源である電磁コイル１６が配設
されている。また、共振室１１の下部には、この共振室
１１よりも大口径の略円筒形状の試料室１２が連設して
形成されており、試料室１２と共振室１１との間には仕
切り板２２が介装されている。仕切り板２２はビス等に
より共振室１１に固定されており、この仕切り板２２を
貫通する態様にて、試料室１２及び共振室ｌｌ内には、
石英ガラス等の誘電性材料で形成されたプラズマ放電管
１３が配設されている。

プラズマ放電管１３は共振室１１側に配設されたベルジ
ャ１３ａと、ベルジャ１３ａに接続されたフード１３ｂ
とて構成されている。

すなわち、共振室１１内には、一端が開口状に形成され
ると共に他端が半球形状に形成されたベルジャ１３ａが
取り付けられており、このベルジャ１３ａの開口部周縁
には、鍔状のフランジ２１が形成されている。このフラ
ンジ２１上には、仕切り板２２に固着された金属製の押
えフランジ２３が、ＰＴＦＥ製の緩衝材２４を介して配
設されており、フランジ２１はこの押えフランジ２３に
よって、仕切り板２２に圧着されている。また、フラン
ジ２１と仕切り板２２との接合面は、仕切り板２２のＯ
リング溝２２ａに保持されたフッ素ゴム製の○リング２
２ｂによってシールされ、このことによって、ベルジャ
１３ａは試料室１２に気密に接続されている。なお、共
振室１１には、共振室１１とベルジャ１３との間の空間
を常時、Ａｒガス雰囲気とするためのガス供給管及び排
気管（図示せず）が接続されている。

そしてベルジャ１３ａの開口部側には、その先端がラッ
パ形状に拡開しているフード１３ｂが螺着されている。

このように構成されているプラズマ１ｉ１．電管１３の
下方の試料室１２内には、試料台２５が取り付けられて
おり、試料台２５上には、Ｓ１基板等の被処理基板Ｓを
載置するための石英製のサセプタ２６が配設されている
。また、試料台２５内には図示しないヒータと試料台２
５を回転させる回転支持機構が設けられている。

一方、試料室１２の一側壁１２ａには、ガス供給管２７
ａが遮断弁２７ｂを介して気密に接続されており、ガス
供給源２７において流量制御されたエツチング用ガス、
膜形成用ガス等のガスは、ガス供給管２７ａを通って試
料室１２及びプラズマ放電管１３内に供給される。

さらに、試料室１２の一側壁１２ａには、排気遮断弁２
８ａ、排気速度調節弁２８ｂを介してターボ分子ポンプ
等の真空ポンプ２８が取り付けられており、プラズマ放
電管１３及び試料室１２内のガスを排気すると共に、プ
ラズマ放電管１３内のガス圧力を調節できるようになっ
ている。例えば、プラズマ放電管１３への注入ガス流量
を５０５ＣＣＭとしたとき、排気遮断弁２８ａでの排気
速度が５００Ｉ２／秒以上であれば、プラズマ放電管１
３内部の圧力をＩ　Ｘ　１０−２Ｐａ以下とすることが
でき、また排気速度調節弁２８ｂのコンダクタンスを調
節するとプラズマ放電管１３内部の圧力を最高ＩＰａと
することができる。

また試料室１２の他側壁には、電子発生源３０が添設さ
れており、電子発生源３０は、第１の電源３３と、電子
導入端子３２ａ、３２ｂを介して第１の電源３３に直列
的に接続されたフィラメント３１と、電子導入端子３２
ｂと第１の電源３３との間に介装された第２の電源３５
ａ、３５ｂとを含んで構成されている。すなわち、試料
室１２の他側壁には、この側壁を貫通する態様にて電子
導入端子３２ａ、３２ｂが取り付けられており、電子導
入端子３２ａ、３２ｂの試料室１２側の電極は、直径０
．３ｍｍの金属タンタル製のフィラメント３１を介して
直列的に接続されている。また、電子導入端子３２ａ、
３２ｂの大気側の電極は、第１の電源３３のプラス側、
マイナス側にそれぞれ接続されており、電流導入端子３
２ｂと第１の電源３３のマイナス側との間には、フィラ
メント３１に接地に対して正又は負の電位を印加する第
２の電源３５ａ、３５ｂが、バイアススイッチ３４を介
して接続されている。

そして、このように構成されている電子発生源３０にお
いては、第１の電源３３から電流を通流し、あるいは第
２の電源３５ｂから接地に対して負の電位を印加すると
、フィラメント３１が赤熱され、フィラメント３１から
プラズマ放電管１３内に熱電子が放出されるようになっ
ている。また、第２の電源３５ａから接地に対して正の
電位を印加すると、フィラメント３１が正の電位に保た
れるようになっている。

なお、電子発生源３０としては、後に述べる電子銃を用
いても良い。

また、試料室１２の他側壁にはさらに、サセプタ２６に
被処理基板Ｓを載置し、取り出すための図示しないロー
ドロック室がロードロック室弁を介して配設されている
。

このように構成されたＥＣＲプラズマ装置において、被
処理基板Ｓに例えばエピタキシャル謹を形成する場合は
、まず真空ポンプ２８を駆動して、試料室１２内、プラ
ズマ放電管１３内及びロードロック室内を所定の圧力に
減圧する。次いて、ロードロック室内に取り付けられた
搬送アームによって、サセプタ２６をロードロック室に
搬送し、その後ロードロック室弁を閉じ、ロードロツタ
室に接続されたガス導入管からＡｒガス、Ｎ２ガス等の
不活性ガスを導入して、ロードロック室内を大気圧とす
る。続いて、ロードロック室の試料装填窓からサセプタ
２６上に被処理基板Ｓとして例えば直径２００ｍｍのＳ
ｉ基板を載置し、ロードロック室に接続された真空ポン
プによって、ロードロック室内を減圧にする。そして、
ロードロック室弁を開き、搬送アームによってサセプタ
２６を搬送して試料台２５上に載置し、搬送アームをロ
ードロック室に引き戻した後、ロードロック室弁を閉し
る。

再び、真空ポンプ２８によって試料室１２及びプラズマ
放電管１３内を所定の圧力になるまで排気する。

その後、ガス供給源２７からガス供給管２７ａ及び遮断
弁２７ｂを介して、例えばＳｉＨ４ガス等の膜形成用ガ
スをプラズマ放電管１３内に導入しつつ、プラズマ放電
管１３内をプラズマが発生するガス圧力に設定する。次
いで、導波管１５からマイクロ波導入窓１４を介して共
振室１１に、周波数２．４５ＧＨｚ、電力２０Ｗのマイ
クロ波を供給し、誘電性材料で形成されているベルジャ
１３ａ内にマイクロ波を伝播させると同時に、電磁コイ
ル１６に直流電圧を印加する。すると、ベルジャ１３ａ
内に、例えば磁束密度８．７５Ｘ１０”　Ｔの静磁界が
第１図において下向きに形成され、磁力線が被処理基板
Ｓに向かって発散する、いわゆる発散磁界が形成される
と同時に、ベルジャ１３ａ内においてプラズマが発生す
る。そして発生したプラズマは、上記した発散磁界によ
り、フード１３ｂ側に輸送される、 またその一方で、試料室１２の他側壁に添設されている
電子発生源３０において、第１の電源３３から約４Ａの
電流を通流し、フィラメント３１を約１２００℃に赤熱
させて熱電子を放出させ、プラズマ放電管１３内部に熱
電子を供給する。

このことにより、プラズマ放電管１３の電子倍増領域に
電子が供給され、従来の１７１５の２０Ｗのマイクロ波
電力により発生した上記プラズマは、点灯遅れなく、し
かも再現性良く安定して点灯する。そして、点灯したプ
ラズマ中の低エネルギイオンが被処理基板Ｓに照射され
、被処理基板Ｓに金属汚染の少ない５ｉｌＪｊが形成さ
れる。

まな、上記した電子発生８３０に’ｒｉｔＬを通流する
際に、バイアススイッチ３４を第２のＮ＃１３５ｂ側に
切り換えて、接地に対して一２０Ｖの電位をフィラメン
ト３１に印加すれば、フィラメント３１から放出された
熱電子は、フィラメント３１からの図示しない電気力線
に沿って加速され、その一部は第１図中の一点鎖線Ｔに
概略沿ってプラズマ放電管１３内部に輸送される。

従って、プラズマ放電管１３内でさらに効率良くプラズ
マは点灯し、マイクロ波電力を従来の１７３０の１０Ｗ
とした場合で６、上記と同様に、被処理基板Ｓに金属汚
染の少ないＳｉ膜を形成させることができる。

なお、プラズマを点灯させている間は、バイアススイッ
チ３４を第２の電源３５ａ側に切り換えて、フィラメン
ト３１に接地に対して５０Ｖの正の電位を印加する。す
なわち、装置内に付着性あるいは腐食性の反応ガスを導
入した場合、フィラメント３１がこの反応ガスのプラズ
マ中の陽イオンと容易に反応して腐食したり、合金化し
たりして断線する場合があるため、フィラメント３１に
プラズマの接地に対する平均電位である２０Ｖより、３
０Ｖ程度高い５０Ｖの正電位を印加する。

これにより、フィラメント３１への飛来陽イオンの到達
を阻止することができ、反応ガスの影響を少なくするこ
とができると共に、フィラメント３１の寿命を通常の２
倍程度にまで延長することができる。

なお、上記したエピタキシャル膜の形成を行う前に、ガ
ス供給源２７よりエツチング用ガスとしてＡｒガスを試
料室１２及びプラズマ放電管１３内に導入して、上記と
同様の条件で、被処理基板Ｓを損傷させることなく、し
かも金属汚染させることなく前処理することができる。

以下に前処理について説明する。

まず、上記と同様の工程を経て、Ｓｉ基板等の被処理基
板Ｓを試料室】２のサセプタ２６上に載置し、次いで試
料台２５に内設された回転支持機構（図示せず）を駆動
し、被処理基板Ｓを水平面内で自転させる。この後、図
示しないヒータに通電して被処理基板Ｓを５００℃以上
、例えば７００℃に加熱し、その間真空ポンプ１８を駆
動し、試料室１２及びプラズマ放電管１３内の排気を行
なう。次に、ガス供給源２７よりエツチング用ガスとし
てＡｒガスを２５３ＣＣＭの流量でプラズマ放電管１３
内に供給する。そして、排気速度調整弁２８ｂを調整し
て試料室】２及びプラズマ放電管１３内の圧力を０．５
Ｐａに設定した後、電磁コイル１６に直流電圧を印加し
て、プラズマ放電管１３内に発散磁界を形成すると共に
、２５Ｗのマイクロ波を導波管１５より共振室１１に導
入する。さらに、上記の如く電子発生源３０を駆動して
、プラズマ放電管】３内の電子倍増領域に熱電子を供給
することにより、ＥＣ−Ｒ条件下、プラズマ放電管】３
のベルジャ１３ａ内でプラズマを発生させる。このこと
により、ベルジャ１３ａ内で発生したプラズマは、再現
性良く安定して点灯し、プラズマ中の低エネルギのＡｒ
イオンが被処理基板Ｓを照射する。そして、この照射を
５分程度行うことによって、被処理基板表面に形成され
ている自然酸化膜が、損傷することなく、しから金属汚
染されることなくエツチングされ除去される。

上記したように、電子発生源３０が添設されたＥＣＲプ
ラズマ装置を用いることにより、低マイクロ波電力でち
、被処理基板Ｓの損傷及び形成膜の金属汚染防止に有効
な低エネルギイオンを有するプラズマを、容易に確実に
臣灯させることができる。

第２図は本発明に係るプラズマ装置の別の実施例として
のＥＣＲプラズマ装置を模式的に示した断面図であり、
第１図と同様に構成された共振室１１の上部には、導波
管１５が−４７−イクロ波導入窓１４を介し２て形成さ
れており、共振室ｔｉの周りには磁界発生源である側１
〕イル１６が配設されている。また共振室１１の下部に
は、仕切り板２２を介して試料室１２が形成されており
、試料室１２及び共振室１１内には、この仕切り板２２
を貫通する態様にて、石英ガラス等の誘電性材料で形成
されたプラズマ放電管４０が配設されている。

プラズマ放電管４０は共振室ｌｌ側に配設されたベルジ
ャ４０ａと、ベルジャ４０ａに接続されたフード４０ｂ
と、フード４０ｂの下に配設された被処理基板を載置す
るためのホルダ４０ｃとて構成されている。すなわち、
ベルジャ４０ａは第１図に示したベルジャ１３ａと同様
に構成され、共振室１１に機密に取り付けられており、
このベルジャ４０ａの開口部側には、試料室１２側に形
成され、その平端部周縁にフランジ４２ａが形成された
ラッパ形状のフード４０ｂが螺着されている。フード４
０ｂの側面には、ガス供給管４１ｃが接続されており　
このガス供給管４１ｃは可撓構造のステンレ２、製のガ
ス供給管４１ａの一端と、図示しない金属製○リングを
シール材とする継ぎ手４１ｂを介して気密に接続されて
いる。ガス供給管４１ａの他端は、装置の外に設けられ
たエツチング用ガス、膜形成用のガス等の複数のガス供
給源４１に、遮断弁４１ｄを介して接続されており、ガ
ス供給源４１で流量制御されたガスを、ガス供給管４１
ａ、４１ｃからプラズマ放電管４０内へ供線するように
なっている。

フニド４０ｂの下方には、フード４０ｂの下端の内径と
略同−内径の有底円筒形状をなすホルダ４０ｃが配設さ
れており、ホルダ４０ｃの上端部周縁には、フランジ４
２ｂが形成されている。このときホルダ４０ｃは、この
フランジ部４２ｂと上記したフード４０ｂのフランジ部
４２ａとの間に所定寸法が確保されるようにフード２３
ｂの下方に設置されている。そして、フランジ４２ａ、
４２ｂ間の隙間は、プラズマ放電管４０内のガスを真空
排気するための排気口４３となっている。

このようにプラズマ放電管４０は、排気口４３の外部か
らはホルダ４０ｃに載置された被処理基板Ｓが直視出来
ないように構成され′Ｃおり、またプラズマ放電管４０
内で生成したプラズマが外部に飛び出しにくくなってい
る。

一方、ホルダ４０ｃの下部には、軸４４を中心にして回
動可能であり、かつ昇降可能な透明石英製の容器４５が
配設されており、容器４５内にはホルダ４０Ｃ内に載置
された被処理基板Ｓを赤外線加熱するための金属タンタ
ル線からなるヒータ４６が埋設されている。なお、ヒー
タ４６での消費電力が２．５ｋＷのとき、被処理基板Ｓ
は７００℃程度に加熱される。

また、試料室１２の一側壁１２ａには、排気遮断弁２８
ａ、排気速度調節弁２８ｂを介してタボ分子ポンプ等の
真空ポンプ２８が取り付けられており、排気口４３を介
してプラズマ放電管４０内のガスを排気すると共に、プ
ラズマ放電管４０内の圧力を調節できるようになってい
る８例えば、被処理基板Ｓの最大直径を２００ｍｍ、フ
ランジ４２ａ、４２ｂの半径方向の幅を５０ｍｍ、排気
口４３の間隙幅を５ｍｍとし、プラズマ放電管４０への
注入ガス流量を５０３ＣＣＵとしたとき、排気遮断弁２
８ａでの排気速度が５００β／秒とすると、プラズマ放
電管４０内部の圧力を１×１Ｏ−２Ｐａ以下とすること
ができ、また排気速度調節弁２８ｂのコンダクタンスを
調節するとプラズマ放電管４０内部の圧力を最高ＩＰａ
とすることができる。

さらに、試料室１２の一側壁１２ａの上記した排気口４
３に略対向する位置には、電子発生源となる電子銃５０
が添設されている。電子銃５０の一例を第３図に示す。

第３図において１２ａは試料室１２の側壁であり、側壁
１２ａにはこれを貫通する態様にて電流導入端子５２ａ
、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅが取り付けられてい
る。

電流導入端子５２ａ、５２ｂの試料室１２側の電極は、
アルミナセラミックス等の絶縁製の支持体５４に支持さ
れた金属タングステン製のフィラメント５１に接続され
ており、フィラメント５１は例えば幅０．５ｍｍ、厚さ
０．０５ｍｍの帯板形状となっている。このフィラメン
ト５１の上方には、フィラメント５１から放出された熱
電子を収束させつつ引き出すための電極５５ａ、５６ａ
、５７ａが順次配設されている。すなわちフィラメント
５１には、収束された熱電子を通過させるための開口部
が形成された、断面コ字形状の電極５５ａが覆設されて
おり、この電極５５ａ右方には、電極５５ａと同様に開
口部が形成された断面逆コ字形状の電極５６ａが配設さ
れている。そして、電極５６ａのさらに右方には、略円
筒形状の電極５７ａが形成されている。これら電極５５
ａ、５６ａ、５７ａはそれぞれ、上記した電流導入端子
５２ｃ、５２ｄ、５２ｅの試料室１２側の電極に接続さ
れており、試料室１２側に設けられたフィラメント５１
、電極５５ａ、５６ａ、５７ａ等は、熱電子が通過する
開口部が形成されたケース５３に収納されている。一方
、１ｉ流導入端子５２ａ、５２ｃの大気側の各電極は、
電源５８のプラス側に、また電源５８に直列接続された
電源５５ｂのマイナス側にそれぞれ接続されており、電
流導入端子５２ｂ、５２ｅの電源５５ａの大気側の各電
極は、電源５６ｂのマイナス側に、また電源５６ａに直
列接続された電源５７ｂのマイナス側にそれぞれ接続さ
れている。さらに電流導入端子５２ｄの大気側の電極は
、電源５６ｂと電源５７ｂとの間に接続され、また電源
５７ｂのマイナス側と電流導入端子５２ｅとの間には、
電源５９ａ、５９ｂが、バイアススイッチ５９を介して
接続されており、フィラメント５１及び電極５５ａ、５
６ａ、５７ａに試料室１２に対して正又は負の電位を印
加するようになっている。

このように構成されている電子銃５ｏにおいては、電源
５８から電流を通流し、あるいはバイアススイッチ５９
を切り換えて電源５９ｂがも接地に対して負の電位を印
加すると、フィラメント５１が赤熱され、フィラメント
５１がら熱電子が放出される。このとき、電源５５ｂ、
５６ｂ。

５７ｂにそれぞれ電圧を印加して、電極５５ａをフィラ
メント５１に対して例えば−５Ｖの負の電位に保ち、電
極５６ａ及び電極５５ａの開口部の中心部の空間電位を
、フィラメント５１に対して例えば＋５０Ｖの正の電位
に保ち、電極５７ａを電極５６ａに対して例えば−２０
Ｖの負の電位に保つ。すると、フィラメント５１がら放
出された電子は電極５５ａにより収束され、次いで１ｆ
極５６ａにより収束されつつ引き出され、最後に電極５
７ａにより再び収束されて、ケース５３の開口部から放
出される。そして、放出された熱電子はプラズマ放電管
４ｏの排気口４３がらプラズマ放電管４０内に入り、プ
ラズマ放電管４ｏ内に電子が供給される。また、バイア
ススイッチ５９を切り換えて、電源５９ａがら試料室１
２に対して正の電位を印加すると、フィラメント５１及
び電極５５ａ、５６ａ、５７ａは正の電位に保たれる。

また、試料室１２の他側壁には、ホルタ４０ｃ内に被処
理基板Ｓを載置し、取り出すためのロードロック室４７
がロードロツタ室弁４７ａを介して配設されており、ロ
ードロック室４７上部には、被処理基板Ｓを出し入れす
るための試料装填窓４７ｂが形成されている。

このように形成されたＥＣＲプラズマ装置を用いて被処
理基板Ｓに例えばエピタキシャル膜を形成する場合は、
まず、真空ポンプ２８を駆動して試料室１２内、プラズ
マ放電管４０内及びロードロック室４７内を減圧にする
。次いで、容器４５の下方に取り付けられた支持棒４８
を下方に引き出すことによってベローズ４９を延ばし、
試料室１２内を減圧状態に保ったままで、容器４５をロ
ドロック室４７に対して所定の高さに移動する。そして
、ロードロック室４７に取り付けられた図示しない搬送
アームによって、ホルダ４０ｃをロードロック室４７に
搬送する。この後、上記と同様の操作にて試料装填窓４
７ｂからホルダ４０ｃ上にＳｉ基板等の被処理基板Ｓを
載置し、再び搬送アームによって容器４５上にホルダ４
０ｃを載置し、支持軸４８を用いて容器４５を所定の位
置に設置する。

そして、第１図を用いて説明した実施例の場合と同様に
して、試料室１２及びプラズマ放電管４０内を所定の圧
力になるまで排気し、膜形成用原料ガスを試料室１２及
びプラズマ放電管４０内に供給する。また、導波管１５
から共振室１１にマイクロ波を供給すると共に、電磁コ
イル１６に電圧を印加して、プラズマ放電管４０内に発
散磁界を形成する。さらに、電子銃５０の電源５８によ
り約５Ａの電流をフィラメント５１に通電して、フィラ
メント５１を２０００℃に赤熱させて熱電子を放出させ
、電極５５ａ、５６ａ、５７ａにより引き出されて収束
された熱電子を、排気口４３を介してプラズマ放電管４
０内部に供給する。

このことにより、プラズマ放電管４０内の電子倍増領域
に電子が供給され、低いマイクロ波電力によりプラズマ
放電管４０内で発生したプラズマは、点灯遅れなくしか
も再現性良く安定して点灯される。そして、点灯したプ
ラズマ中の低エネルギイオンが被処理基板Ｓに照射され
る。また、前記プラズマ放電管４０は略密閉構造である
ので、試料室１２はプラズマ中のイオンにスパッタされ
にくく、たとえプラズマ放電管４０の外へプラズマが飛
び出してち、前記イオンは低エネルギであるため、試料
室１２はスパッタされにくい。以上のことから、被処理
基板Ｓに金属汚染のない膜が形成される。

なお、プラズマを点灯させている間は、バイアススイッ
チ５９を電源５９ａ側に切り換えて、フィラメント５１
及び電極５５ａ、５６ａ、５７ａに、試料室１２に対し
て例えば１００Ｖの正の電位を印加する。これにより、
電子銃５０への陽イオンの到達を阻止することができ、
各電極５５ａ、５６ａ、５７ａにおける間の絶縁劣化の
進行が抑制され、電子銃５０の寿命を２倍程度にまで延
長することができる。

また、上記した電子銃５０の電源５８によりフィラメン
ト５１に電流を通流する際に、バイアススイッチ５９を
電源５９ｂ側に切り換えて、フィラメント５１及び電極
５５ａ、５６ａ、５７ａに、試料室１２に対して例えば
−５００■の負の電位を印加し、プラズマ放電管４０内
に供給すれば、プラズマ放電管４０内でさらに効率良く
プラズマは点灯し、マイクロ波電力をより低くした場合
でも、上記と同様に、被処理基板Ｓに金属汚染の少ない
Ｓ１膜を形成することができる。

なお、上記したエピタキシャル膜の形成を行う前に、ガ
ス供給源４１よりＡｒガスのエツチング用ガスを試料室
１２及びプラズマ放電管４０内に導入して、上記と同様
の条件で、被処理基板Ｓを損傷させることなく、しがち
金属汚染させることなく前処理を施すことができる。

第４図は本発明に係るプラズマ装置のさらに別の実施例
としてのＥＣＲプラズマ装置を模式的に示した断面図で
あり、第３図に示した実施例と相違する点は、プラズマ
放電管４０内に電子散乱面６０が形成されている点であ
る。電子散乱面６０は、プラズマ放電管４０を構成する
石英製のベルジャ４０ａ、フード４０ｂ及びホルダ４０
ｃと同一材料からなり、電子銃５０からプラズマ放電管
４０に供給される熱電子に面を向けるようにして、フー
ド４０ｂに一体的に形成されている。

このように構成されているＥＣＲプラズマ装置において
は、上記したように前処理、エビタキシャル膜の形成を
行うべくプラズマを発生させ、電子銃５０より熱電子を
、排気口４３を介してプラズマ放電管４０内に供給する
と、供給された熱電子は、第４図の一点鎖線で示したよ
うに電子散乱面６０で反射して、マイクロ波導入窓１４
近傍のベルジャ４０ａ内に散乱する。従って、プラズマ
放電管４０の電子倍増領域に電子が効率的に供給され、
プラズマの点灯をさらに促進することができる。

第５図は本発明に係るプラズマ装置のさらに別の実施例
としてのＥＣＲプラズマ装置を模式的に示した断面図で
あり、第４図に示した実施例のものと相違する点は、Ｅ
ＣＲプラズマ装置に取り付けられている電子銃５０が、
真空容器からなる電子銃室７０に格納されて取り付けら
れている点である。すなわち、試料室１２の側壁１２ａ
の排気口４３に対向する位置には、電子銃室７０が遮断
弁７１を介して配設されており、電子銃室７０内には、
熱電子が放出される開口部を排気口４３に向けるように
して電子銃５０が格納されている。

なお、この電子銃５０は、バイアススイッチ５９を介し
て接続されるｔ源５９ａ、５９ｂを除いて第３図と同様
に構成されている。つまり第６図に示したように、電源
５７ｂのマイナス側と電流導入端子５２ｅとの間には、
フィラメント５１に、試料室１２に対して負の電位を印
加する電源５９ｂのみが、バイアススイッチ５９を介し
て接続されている。

このように構成されているＥＣＲプラズマ装置において
は、プラズマ点灯操作時には、遮断弁７１を開く一方で
、電源５９ｂよりフィラメント５１及び電極５５ａ、５
６ａ、５７ａに、試料室１２に対して負の電位を印加し
、これにより放出された熱電子を排気口４３からプラズ
マ放電管４０内に供給する。供給された熱電子は、上記
と同様に電子散乱面６０において反射されて電子倍増領
域に散乱し、この結果プラズマの点灯が促進される。

プラズマ点灯後は、直に遮断弁７１を閉して電子銃５０
を隔離し、プラズマのイオン、ラジカル、励起種から電
子銃５０を保護する。従って第６図に示した電子銃５０
においては、電子銃５０を試料室１２に対して正の電位
に保つ電源を設けなくても、反応プラズマの影響を回避
することができ、電子銃５０の寿命をそれまでの５０倍
に延ばすことができる。

なお、上記実施例においては、電子銃５０を電子銃室７
０に格納してプラズマ装置に配設した場合について述べ
たが、真空容器に電子発生源３０のフィラメント３１部
分を格納して用いても、同様の効果を得ることができる
。

以上説明したように、上記した実施例によれば、イオン
エネルギの低いプラズマを容易に、しかも確実に点灯さ
せることができるため、結晶欠陥及び金属汚染の少ない
プラズマプロセスを効率良く実現することができる。

及咀坐勲薯 以上の説明により明らかなように、本発明に係るプラズ
マ装置によれば、マイクロ波導入機構、磁界発生機構及
び真空容器等を備えると共に、電子発生源が前記真空容
器に添設されているので、低電力のマイクロ波を導入し
た場合において６、プラズマ発生領域内の電子倍増領域
に前記電子発生源から熱電子が供給され、プラズマ発生
領域内の電子がマイクロ波電界により加速されて他の中
性原子を電離する過程の反復（プラズマの点灯）を、再
現性良く安定して行わせることができる。

従って、プラズマ中の低エネルギイオンを前記８１基板
に安定して照射させることができ、損傷のない清浄なＳ
ｉ基板等の被処理基板を得ることができると共に、被処
理基板に金属汚染の少ない膜を形成することができる。

また、マイクロ波導入機構、磁界の発生機構及び真空容
器等を備えると共に、ガス供給口及びガス排気口を備え
た略密閉構造のプラズマ放電管の内部をプラズマ放電領
域とするプラズマ装置であって、前記ガス排気口を経由
して前記プラズマ放電管の内部に電子線を照射する電子
銃を備えている場合には、前記プラズマ放電管内の電子
倍増領域に電子が効率的に供給されるので、低電力のマ
ィクロ波を導入した場合において６、前記電子倍増領域
でプラズマの点灯が促進され、プラズマ中の低エネルギ
イオンの昭射による損傷のない清浄な被処理基板を得る
ことができる。また、前記プラズマ放電管は略密閉構造
であるので、真空容器はプラズマ中のイオンにスパッタ
されにくく、たとえプラズマ放電管の外へプラズマが飛
び出して６、前記イオンは低エネルギであるため、真空
容器はスパッタされにくい。従って、被処理基板に金属
汚染のない膜を形成することができる。

さらに、上記したプラズマ装置の使用方法によれば、上
記したプラズマ装置を用いてＳ１基板を５００°Ｃ以上
に加熱した後、Ａｒプラズマによって前記８１基板の表
面を清浄化し、この後５１Ｈ４プラズマにより前記Ｓｉ
基板表面に単結晶Ｓ１をエピタキシャル成長させる方法
では、結晶の損傷のないＳｉ基板表面に金属汚染の少な
い単結晶を成長させた電気的特性の良好なウェハを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプラズマ装置の一例としてのＥＣ
Ｒプラズマ装置を模式的に示した断面図、第２図は本発
明に係るプラズマ装置の別の実施例としてのＥＣＲプラ
ズマ装置を模式的に示した断面図、第３図は第２図に添
設されている電子発生源の一例を示した模式的断面図、
第４図及び第５図はそれぞれ、本発明に係るプラズマ装
置のさらに別の実施例としてのＥＣＲプラズマ装置を模
式的に示した断面図、第６図は第５図に示した実施例の
装置に備えられた電子銃の一例を示した模式的断面図、
第７図は従来提案されたＥＣＲプラズマ装置を模式的に
示した断面図である。 １０・・・真空容器 １４・・・マイクロ波導入窓 １６・・・電磁コイル ３０・・・電子発生源 ４０・・・プラズマ放電管 ２７ａ、４１ａ、４１　ｃ−・・ガス供給管４３・・・
排気口 ５０・・・電子銃 Ｓ・・・被処理基板（Ｓｉ基板） 第２図 第４図 第３図 第６図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波導入機構、磁界発生機構及び真空容器
   等を備えると共に、電子発生源が前記真空容器に添設さ
   れていることを特徴とするプラズマ装置。
2. （２）マイクロ波導入機構、磁界の発生機構及び真空容
   器等を備えると共に、ガス供給口及びガス排気口を備え
   た略密閉構造のプラズマ放電管の内部をプラズマ放電領
   域とするプラズマ装置であって、前記ガス排気口を経由
   して前記プラズマ放電管の内部に電子線を照射する電子
   銃を備えていることを特徴とするプラズマ装置。
3. （３）Ｓｉ基板を５００℃以上に加熱した後、Ａｒプラ
   ズマによって前記Ｓｉ基板の表面を清浄化し、この後Ｓ
   ｉＨ＿４プラズマにより前記Ｓｉ基板表面に単結晶Ｓｉ
   をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１
   又は請求項２記載のプラズマ装置の使用方法。