JPH04206726A - プラズマ処理装置 - 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、半導体装置の製造過程におけるＣＶＤ処理、
エツチング処理、スパッタリング処理などを行うプラズ
マ処理装置に係り、特に、反応室内でのマイクロ波の反
射を防止したプラズマ処理装置に関する。

（従来技術） 第８図は従来のプラズマ処理装置の構成図であり、マイ
クロ波８を発生させるマグネトロン１、発生したマイク
ロ波８を伝搬する導波管３、導波管３に設けられた３ス
タブチューナ２、反射波パワーモニタ４、入射波パワー
モニタ５、マイクロ波導入窓を組み合わせて構成された
放電管６、反応室１７、基板などの試料１２を載置する
試料ホルダ１３、制御磁界コイル７、主磁界コイル１４
、マイクロ波の発散を防止して電子サイクロトロン共鳴
（ＥＣＲ）励起によるプラズマ生成位置を一定位置に特
定するマイクロ波発散防止筒３１、反応ガス供給ノズル
１０．１１、および排気口１６によって構成されている
。

試料処理時には２．４５ＧＨｚのマイクロ波８による電
界と、磁界コイル７．１４による磁束密度８７５ガウス
以上の磁界とによってＥＣＲ９を引き起こし、反応室１
７内に反応ガスプラズマを発生させる。プラズマは磁界
コイル７．１４による磁力線勾配によって試料１２まで
導かれてその表面を処理する。

ところで、マグネトロン１で発生したマイクロ波８のご
く一部は反応室１７内に導入される際に放電管６で反射
（反射波１９）される。また、反応室１７内に導入され
たマイクロ波の一部はプラズマに吸収されるか、残りの
マイクロ波は基板ホルダ１３で反射（反射波２０）され
たり、反応室１７の内壁で反射（反射波２１）される。

反射波２０．２１の一部はプラズマに吸収されて有効利
用されるが、残りの反射波および反射波１９は導波管３
を逆方向に伝搬する。また、プラズマ発生前であれば前
記反射波２０．２１は、プラズマに吸収されることなく
前記反射波１９と共に全て導波管３を逆方向に伝搬する
。なお、反射波１９のパワーは反射波２０．２１に比べ
て十分に小さく、導波管３を逆方向に伝搬する反射波は
、実質上、反射波２０．２１である。

このように導波管３を逆方向に伝搬する反射波はマグネ
トロン１を破壊したり、寿命を短くしたりしてしまうの
で、従来からこのような反射波による悪影響を防止する
ために種々の研究がなされている。

例えば、上記したような反射波は、小ロ文−著ｒマイク
ロ波及びミリ波回路」　（丸善、第１８５頁）に記載さ
れた伝送方程式により比較的簡単に表されるので、この
伝送方程式を解いて反射波が小さくなるような処理装置
を設計すれば反射強度を小さくすることができる。

また、特開昭６４−１７３９９号公報には、マイクロ波
を伝搬する導波管の長さを調整可能とし、マグネトロン
からのマイクロ波と反応室との整合化を図り、無反射の
状態を実現する技術が提案されている。なお、導波管の
長さを調整する代わりに３スタブチューナを調整しても
同様の効果が得られる。

（発明が解決しようとする課題） 伝送方程式を解いて反射波が小さくなるような処理装置
を設計する方法は、計算通りに反射した低次のモードの
反射波に対しては有効であるが、共振や反射を繰り返し
た高次のモードの反射波のように、伝送方程式で表すこ
とが難しい反射波については有効ではなかった。

また、マイクロ波と反応室との整合化を図る方法では、
プラズマ状態が変化するとマイクロ波の共振状態が変化
し、この結果、共振によって発生する定在波の状態も変
化してしまうので、安定したプラズマ状態を維持するこ
とが難しいという問題があった。

すなわち、反射波は入射波と干渉して反応室内に定在波
を発生させるが、入射マイクロ波パワーを変化させると
、それに伴って電子密度や電子温度といったプラズマ状
態か変化するためにプラズマ中でのマイクロ波の屈折率
が変化してしまう。

マイクロ波の屈折率が変化すると、定在波の腹や節の位
置が変化するため、例えば節の位置かＥＣＲ位置となる
とプラズマの励起状態が低下してしまい、安定したプラ
ズマ状態を維持することが難しくなってしまう。

本発明の目的は、上記した問題点を解決して、反射波の
発生を防いで安定したプラズマ状態を維持することの可
能なプラズマ処理装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明では、マイクロ
波の空洞共鳴を利用して発生させたプラズマで試料の表
面処理を行うプラズマ処理装置において、以下のような
手段を講じた。

（１）プラズマ反応室内の、少なくともマイクロ波導入
口と対向する部分にマイクロ波吸収材を配置した。

（２）前記マイクロ波吸収材を、マイクロ波を透過する
容器内にマイクロ波を吸収する液体を充填して構成する
と共に、該液体の温度および反射波のパワーをモニタし
、モニタ結果に基づいてマイクロ波の共振状態を調整す
るようにした。

（作用） 上記した構成（１）によれば、プラズマに吸収されるこ
となくプラズマ反応室内壁に達したマイクロ波はマイク
ロ波吸収材に吸収されるので、反射波の発生が防止され
る。

上記した構成（２）によれば、プラズマに吸収されずに
液体に吸収されたマイクロ波のパワー、およびプラズマ
や液体に吸収されずに反射したマイクロ波のパワーが求
まるので、両者の加算値か最小となるようにマイクロ波
の共振状態を調整すれば、効率の良いプラズマ励起か可
能になる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の断
面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を
表している。

本実施例では、反応室１７内壁の放電管６と対向する部
分および試料ホルダ１３の表面といったように、マイク
ロ波を反射して反射波を生じさせる領域に、選択的にマ
イクロ波吸収材５０を設けた点に特徴がある。

マイクロ波吸収材５０は、マイクロ波を効率良く吸収す
ることの可能な物質であればどのようなものでも良く、
プラスチックや樹脂などの有機物質のみならず、内部に
水や油といったマイクロ波を吸収する液体の充填された
石英管やガラス管等であっても良い。

本実施例によれば、プラズマに吸収されることなく試料
ホルダ１３あるいは反応室１７の壁面に達したマイクロ
波はマイクロ波吸収材５０によって吸収されるので、反
射波の発生を大幅に減少させることができるようになり
、マグネトロン１の破損が防止され、かつ安定したプラ
ズマ状態を維持できるようになる。

第２図は本発明の第２実施例の断面図であり、前記と同
一の符号は同一または同等部分を表している。

同図において、反応室１７内壁の放電管６と対向する部
分および試料ホルダ１３の表面には一面に石英管１５が
配置され、該石英管１５内には循環装置１８によって循
環される水が充填されている。

循環される水の温度は温度モニタ３０によって検出され
る。石英管１５の容量は２００ω１であり、循環装置１
８による流量は１００　ｌｌｌ１／ｍｊｎである。

［実験１］ 以下、第２図に示した構成のプラズマ処理装置を用いて
窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜を形成した際のマイクロ波の反
射強度およびプラズマの安定性について説明する。

予め１ｏ−４ｒｐａｒまで排気された反応室１７内に、
ガスノズル１０．１１からそれぞれ窒素ガス（Ｎ２）を
２４０　　［ｍｌ／　ｍｉｎコ、モノシランガス（Ｓｉ
Ｎ４）を２４　［ｍｌ／　ｍｉｎ］導入し、排気量を調
整することによって反応室内圧力を０．　３［Ｐａ］に
維持する。

同時に、磁界コイル７．１４の励磁電流を制御して８７
５ガウスの磁界を容器１７内に発生させる。

その後、マグネトロン１から発生するマイクロ波パワー
をＯＷから１２００Ｗまで徐々に増加させ、さらにＯＷ
まで減少させた。このとき、入射マイクロ波が効率良く
プラズマに吸収されて水温の上昇率が小さくなるように
、温度モニタ３０を観察しなから３スタブチューナを調
整した。

第４図は、上記のようにして入射マイクロ波がプラズマ
に効率良く吸収されるように調整された状態において、
入射波モニタ５および反射波モニタ４で検出された入射
波パワーと反射波パワーとの関係を示した図である。

なお、第５図は比較のために、石英管１５が設けられて
いない従来技術の装置にマイクロ波を入射させた場合の
入射波パワーと反射波パワーとの関係を示した図である
。

両図より明らかなように、石英管１５を設けない場合に
は、反射波パワーが入射波パワーの１０〜７０％に達し
てしまうが、本実施例によれば３〜５％に押さえること
ができるようになる。

この結果、例えばマイクロ波パワーを８００Ｗとした場
合、本実施例での反射波パワーが２３Ｗとなるのに対し
て、従来技術の構造では４００Ｗとなる。これをマグネ
トロン１の寿命に換算すると、それぞれ２０００時間以
上、８００時間となり、本実施例によれば、マグネトロ
ンの寿命を大幅に延ばすことができるようになる。

しかも、従来技術の装置では、入射波と反射波とが干渉
して発生する定在波がマイクロ波パワーの変動によって
変化するので反射波パワーにも急激な変化が認められる
。そして、このような反射波パワーの急激な変化はプラ
ズマ状態の急激な変化を意味する。

これに対して本実施例の構成によれば、反射波パワーに
大きな変化が認めらず、プラズマ状態が安定しているこ
とがわかる。

［実験２］ 第２図の装置を用いて、１０ｃ＋ｎ四方のガラス基板上
にマイクロ波の入射パワー１０３０ＷでＳｉＮ膜を生成
した際の膜厚および誘電率の分布を第６図に示し、石英
管１５の設けられていない従来の装置を用いて同様の条
件でＳｉＮ膜を生成した際の膜厚および誘電率の分布を
第７図に示す。

なお、このときの反射波パワーは、第２図の装置では４
０Ｗであるのに対して、従来技術の装置では５００〜６
００Ｗを示した。

両図より明らかなように、本発明の装置を用いた場合に
は、膜厚、誘電率の分布が共に均一であるのに対して、
従来の装置を用いた場合には、膜厚、誘電率の分布が共
に２０％以上のばらつくことが確認された。

［実験３］ １０ｃｍ四方のガラス基板上に堆積されたアモルファシ
シリコン膜を、第２図の装置および従来の装置を用いて
、３フツ化炭素（ＣＦ３）プラズマでエツチングした際
のエツチング速度の分布を調べた。なお、ＣＦ３ガスの
流量は３０　［ｍｌ／ｎ＋ｉｎ　］、圧力１．０　［Ｐ
ａ］　、マイクロ波パワーを８００Ｗとした。

本発明の装置によれば、エツチング速度分布のばらつき
が１％以下であったのに対して、従来の装置では１０％
のばらつきが確認された。

以上の各実験結果から、本発明の装置を用いて反射波の
発生を防止してプラズマ状態を安定させると、成膜速度
や膜質を均一にすることかでき、エツチング処理におい
ては、エツチング速度を均一にすることができるように
なる。

なお、第２図に示した構成のプラズマ処理装置では、石
英管１５内の水の温度がマイクロ波を吸収することによ
って上昇してしまうので、循環装置１８に冷却機能を付
加し、水が常に冷却されるようにすることが望ましい。

また、このような構成とする場合には、温度モニタ３０
は循環装置１８から排出される水の温度と循環装置１８
に吸引される水の温度との差を検出するようにすること
が望ましい。

第３図は本発明の第３実施例のブロック図であり、前記
と同一の符号は同一または同等部分を表している。

同図において、コントローラ２６は温度モニタ３０、反
射波パワーモニタ４、および入射波パワーモニタ５のモ
ニタ信号に基づいて励磁制御手段２５およびチューナ制
御手段２４を制御する。

励磁制御手段２５はコントローラ２６からの制御信号に
応答して磁界コイル７．１４の励磁電流を制御する。チ
ューナ制御手段２４はコントローラ２６からの制御信号
に応答してモータ２３を駆動し、可変導波管チューナ３
３の長さを調整する。

このような構成において、コントローラ２６は温度モニ
タ３０、反射波パワーモニタ４、および入射波パワーモ
ニタ５を監視して、プラズマで吸収されるマイクロ波パ
ワーが最大となるように、励磁制御手段２５およびチュ
ーナ制御手段２４の少なくとも一方をコントロールする
。

すなわち、反射波パワーモニタ４で検出された反射波パ
ワーと、温度モニタ３０で検出された温度上昇をマイク
ロ波パワーに換算して得られた値とを加算し、該加算値
が最小値を示すようにコントローラ２６が励磁制御手段
２５やチューナ制御手段２４を制御する。なお、本実施
例では石英管１５内の水の温度を１℃上昇させるのに必
要なマイクロ波パワーを４Ｗとして換算した。

第９図は、マイクロ波パワー６００ＷでＳｉＮ膜を形成
した際に、上記のようにして加算値が最小値を示すよう
に励磁制御手段２５やチューナ制御手段２４を調整した
場合と、未調整の場合とにおける、反射与イ久ロ波パワ
ーＷ１、水に吸収されたマイクロ波パワーＷ２、お−よ
びＳｉＮ膜の比抵抗とｑ関係を示した図である。

同図より明らかなように、加算値が最小値を示すように
してプラズマで吸収されるマイクロ波パワーを５１０Ｗ
　（６００−Ｗｌ　−Ｗ２　）とするとＳｉＮ膜の比抵
抗が向上し、絶縁性の優れたＳｉＮ膜を得ることができ
た。

なお、本実施例では励磁コイルの励磁電流と導波管長を
コントロールして最適条件を得るものとして説明したが
、可変導波管チューナの代わりに３スタブチューナを備
えた導波管を設け、あるいは可変導波管チューナの適所
に３スタブチューナを設け、励磁コイルの励磁電流、導
波管長、および３スタブチューナの少なくとも一つをコ
シトロールするようにしても良い。

本実施例によれば、コントローラ２６が反射波パワーと
石英管１５内の水の温度変化に基づいて、励磁制御手段
２５やチューナ制御手段２４を制御するようにしたので
、最も効率良くプラズマを発生させることができる条件
が自動的に得られるようになる。

なお、上記した各実施例では、反応室内に磁場を発生さ
せてサイクロトロン共鳴を引き起こし、ＥＣＲ面で発生
したプラズマによって各種の処理を行うものとして説明
したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、
磁場を発生させずにマイクロ波放電のみで発生させたプ
ラズマによって各種の処理を行う装置にも適用できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のよ
うな効果が達成される。

（１）プラズマ反応室内の、少なくともマイクロ波が直
接照射される部分にマイクロ波吸収材を設置するように
したので、反射波の発生が抑制される。

したがって、マイクロ波発生源の破損や劣化が防止され
、さらには、安定したプラズマ状態が得られるようにな
る。

（２）マイクロ波吸収材を、マイクロ波を透過する容器
内にマイクロ波を吸収する液体を充填して構成すると共
に、液体の温度および反射波のパワーをモニタするよう
にすれば、プラズマに吸収されて有効利用されるマイク
ロ波の割合を認識できるようになり、効率の良いプラズ
マ励起が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は本発明の
第２実施例の構成図、第３図は本発明の第３実施例の構
成図、第４．５．６．７．９図は本発明の詳細な説明す
るための図、第８図は従来技術の構成図である。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波の空洞共鳴を利用して発生させたプラ
   ズマで試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において
   、 マイクロ波導入口および反応ガス導入口を備えたプラズ
   マ反応室と、 マイクロ波発生源で発生したマイクロ波をプラズマ反応
   室まで伝搬する導波管と、 前記導波管を逆方向に伝搬する反射波のパワーを検出す
   る反射波検出手段と、 プラズマ反応室内の、少なくとも前記マイクロ波導入口
   と対向する部分に配置されたマイクロ波吸収材とを具備
   したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. （２）前記プラズマ反応室内に電子サイクロトロン共鳴
   を引き起こすための磁場を発生させる磁場発生手段をさ
   らに具備したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のプラズマ処理装置。
3. （３）前記導波管に３スタブチューナをさらに具備した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
   載のプラズマ処理装置。
4. （４）前記導波管の長さを調整する導波管長調整手段を
   さらに具備したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. （５）前記マイクロ波吸収材は有機物質であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   に記載のプラズマ処理装置。
6. （６）前記マイクロ波吸収材は、マイクロ波を透過する
   容器内にマイクロ波を吸収する液体を充填してなること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のいず
   れかに記載のプラズマ処理装置。
7. （７）前記マイクロ波を透過する容器は、石英管および
   ガラス管のいずれか一方であることを特徴とする特許請
   求の範囲第６項記載のプラズマ処理装置。
8. （８）前記マイクロ波を吸収する液体は水であることを
   特徴とする特許請求の範囲第６項または第７項記載のプ
   ラズマ処理装置。
9. （９）前記液体を容器内で循環させる循環手段をさらに
   具備したことを特徴とする特許請求の範囲第６項ないし
   第８項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
10. （１０）前記循環する液体の温度変化を検出する温度検
    出手段をさらに具備したことを特徴とする特許請求の範
    囲第９項記載のプラズマ処理装置。
11. （１１）前記循環手段は、液体を冷却する機能を備えた
    ことを特徴とする特許請求の範囲第９項または第１０項
    記載のプラズマ処理装置。
12. （１２）前記温度検出手段は、循環手段から排出される
    液体の温度と循環手段に吸入される液体の温度との差を
    検出することを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載
    のプラズマ処理装置。
13. （１３）前記液体の温度差をマイクロ波のパワーに換算
    する手段と、 前記換算されたパワーに前記反射波検出手段で検出され
    た反射波のパワーを加算する加算手段と、前記加算値が
    最小となるように、マイクロ波の共振状態を調整する共
    振状態調整手段とをさらに具備したことを特徴とする特
    許請求の範囲第１０項ないし第１２項のいずれかに記載
    のプラズマ処理装置。
14. （１４）前記共振状態調整手段は、前記３スタブチュー
    ナ、導波管長調整手段、および磁場発生手段の少なくと
    も一つを制御することを特徴とする特許請求の範囲第１
    ３項記載のプラズマ処理装置。