JPH04264722A - プラズマ処理方法及びその装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波を用いたプ
ラズマ処理方法及び装置に関わり、特にエッチング法、
ＣＶＤ法（化学蒸着法）により薄膜の加工および形成等
をする場合に、被処理物である大型化な基板にダメ−ジ
を与えることなく均一高速処理を実現するための処理方
法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロ波を用いたプラズマ処理
装置としては、例えば特開昭６４−４２１３０号公報に
おいて提案されているような、マイクロ波の空胴共振を
利用したものがある。マイクロ波の空胴共振器を石英等
のマイクロ波透過材を介して処理室と結合させ、空胴共
振器内で強めた電磁界を処理室に導入しプラズマを発生
させると共に、所定の反応ガスを処理室内に導入しプラ
ズマにより励起し被処理基板表面に所定処理を行なうも
のである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、マイクロ波の利用により低圧力での高密度プラズマ
の発生が可能となり、（１）気相中の不純物の取り込み
や気相中での反応の低減による膜質の向上、（２）ラジ
カル、イオンの高密度化による被処理基板の高速処理。 （３）基板に飛び込むイオンエネルギ−の低減、等の利
点がある。

【０００４】しかし、大面積の基板を処理する場合にマ
イクロ波導入口を大型にしていくと様々な電磁界モ−ド
のマイクロ波が真空処理室内に発生してしまい、均一性
を得にくくなると同時に、プラズマ点火ごとにプラズマ
状態が異なり処理の安定性を得にくくなると言う点に留
意が払われていなかった。

【０００５】本発明の目的は、大型化した処理基板に対
してプラズマ処理を的確に実施し得るプラズマ処理方法
および小型で取扱いの容易なプラズマ処理方法及びその
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、被処理基板上に軸対称なマイクロ波でのみ
プラズマを発生させる。これを実現するため本発明のプ
ラズマ処理装置では、真空排気手段と反応ガス供給手段
を有する処理室、真空を保持すると共にマイクロ波を透
過する部材（石英、アルミナ等）を介して該処理室に結
合された空胴共振室を設け、空胴共振室の上記マイクロ
波を透過する部材の反対面には可動式の端面（以下、プ
ランジャ−と記す）を有する。該空胴共振室の処理室に
接する近傍は被処理物の寸法と同等あるいはそれ以上と
し、また該空胴共振室のプランジャ−設置近傍は出来る
だけ小さくする。上記の寸法の異なる２ヵ所を結合する
ため、該空胴共振室の中間部はテ−パ形状あるいは階段
形状とする。

【０００７】

【作用】マイクロ波は、その伝搬する際の電磁界の分布
によって分類され、これをモ−ド（進行方向に対して、
磁場成分を有するものをＨモ−ド、電場成分を有するも
のをＥモ−ド）と呼ぶ。代表的な低次のモ−ドを図２に
示す。このように各モ−ドが混在する条件では、プラズ
マが点火する際のわずかな初期条件の違いにより、プラ
ズマの分布が変ったり、あるいは管内波長が異なるため
うなりに似た現象が生じプラズマが安定しないなどの問
題が生じるため、上記モ−ドを分離してできるだけ単独
に近いモ−ドでプラズマを発生させなければならない。

【０００８】この際に使用するモ−ドは、処理の均一性
を考慮すると生成プラズマが同軸分布になる同軸分布の
電磁界を有するＥ０１またはＨ０１モ−ドを利用したい
。しかし、各モ−ドの遮断波長λｃは次式（数１）で表
わせる様に、管の内径に応じて各モ−ドの波長は変化す
るが、最低次のモ−ドである非軸対象な電磁界分布を有
するＨ１１モ−ドは他のモ−ドが存在する際には常に存
在する。

【０００９】λｃ＝２πａ／ｙｍｎ　　　　　　（数１
）ここで、ａは管の内径、ｙｍｎはＨｍｎあるいはＥｍ
ｎの係数であり、Ｅ０１、Ｈ０１、Ｈ１１に対してそれ
ぞれ２．４０５、３．８３２、１．８４１である。

【００１０】さらに、マグネトロンで発振したマイクロ
波は矩形導波管により、矩形導波管Ｈ０１モ−ドで伝搬
される。該矩形導波管Ｈ０１モ−ドは円形導波管Ｈ１１
モ−ドと整合性が非常によいため空胴共振器内において
のＨ１１モ−ドが優勢になりやすい。従って、これをプ
ランジャ−の位置を動かすことによって空胴共振器の長
さ方向の寸法を調整し、軸対称なモ−ド、Ｅ０１あるい
はＨ０１を共振させることでＨ１１モ−ドの影響を小さ
くする。プランジャ−の代わりに固定端を用いることで
も、理論上は同様な効果を得られるが実際の装置では上
述した様な誤差が生じるためプランジャ−を使用する。

【００１１】次に、該プランジャ−の調整について考え
る。モ−ドが異なるときの管内波長Λは次式（数２）に
応じて変わる。

【００１２】 （１／Λ）２＝（１／λ）２−（１／λｃ）２　　　　
　　（数２） ここで、λは自由空間でのマイクロ波の波長を示す。

【００１３】従って、空胴共振器の径が大きくなるほど
管内波長Λの差は小さくなる。各モ−ドの波長の差が大
きい時、プランジャ−の調整は容易である。しかし、被
処理物が大型化してくるとプラズマ発生領域の拡大が必
要で、空胴共振器の内径を広げなければならない。従っ
て、大型の被処理基板を処理する装置では上記の空胴共
振器の取付け誤差や、さらにプラズマ界面での反射の不
確定性を考慮すると、モ−ドの分離は困難である。

【００１４】以上のように、大型な被処理基板に対して
は空胴共振器内でマイクロ波のモ−ドが混在してしまい
プラズマが不安定になり、安定した均一処理が不可能に
なる。

【００１５】本発明では、マイクロ波の空胴共振器構造
をマイクロ波の反射が生じないように小口径のプランジ
ャ−の取付け部分と大口径のマイクロ波の透過部分をテ
−パあるいは階段形状を用いて結合する。

【００１６】上記のテ−パあるいはステップ形状の決め
方は、例えば石井宗典他著の「マイクロ波回路」（日刊
工業新聞社）の第７章に記載の様に、テ−パ長ｄを決め
てやればよい。テ−パ形状においては次式（数３）（数
４）を満足するように設計する。

【００１７】 　　　　　　ｄ＝ｎλｇ（ｚ）／２　　　　（ｎ＝１，
２，３，・・・）　　　　　　（数３）　　　　　　λ
ｇ（ｚ）＝（λｇ１＋λｇ２）／２　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　（数４）ここで、
λｇ（ｚ）はテ−パ部分の管内波長、λｇ１、λｇ２は
テ−パをはさむ両側の管内波長を示す。

【００１８】また、ステップ形状については下式（数５
）を満足するようにする。

【００１９】 　　　　　　ｄ＝（ｎ／２＋１／４）λｇ／４　　（ｎ
＝０，１，２，・・・）（数５）ここで、λｇはステッ
プ部分（図２においては空胴共振器の中間部）の管内波
長を示す。

【００２０】本構造により、共振条件を決定するプラン
ジャ−部分では、各モ−ドの管内波長が大きく異なるた
めマイクロ波モ−ドの特定は容易にプランジャ−により
調整が可能であり、安定した大口径の均一プラズマ発生
に適したプラズマ発生装置を提供できる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明する
。図１は本発明装置の１実施例を示す縦断面図である。 本発明のプラズマ処理装置は、図１に示すように、マイ
クロ波導入部１と処理室２とを有する。

【００２２】前記マイクロ波導入部１には、導波管３及
び導入口４を通じてマイクロ波発生源５が接続されてい
る。また、マイクロ波導入部１の内部には、整合手段で
あるプランジャ−６が挿入されている。該マイクロ波導
入部１と処理室２は、導入窓７を介して接続されている
。

【００２３】前記マイクロ波発生源５は、マイクロ波を
発振し、そのマイクロ波を導波管３→導入口４を通じて
マイクロ波導入部１の空胴共振器８に導入するようにな
っている。この時、空胴共振器８における導入口４は、
空胴共振器８で共振させたいマイクロ波モ−ドの電磁界
分布と導波管３内の電磁界分布ができるだけ同方向にな
る位置に接続する。

【００２４】前記プランジャ−６は、前記空胴共振器８
をマイクロ波の空洞共振条件を満足させ、空胴共振器８
内にマイクロ波を有効に導入し得るようにしている。該
空胴共振器８はプランジャ−６を有する導入口４近傍が
細く、導入窓７近傍は被処理基板の寸法に対応して大き
くなっており、この両端を結合する中間部はマイクロ波
がこの管で反射が生じないようにゆるやかなテ−パ形状
をなしている。これにより、該空胴共振器８の共振モ−
ドは特定でき安定して処理室側にマイクロ波を供給でき
る。

【００２５】図２は本発明装置の１実施例を示す縦断面
図であるが、本図で示したように空胴共振器８の構造は
階段上にしても同様の効果が得られる。

【００２６】前記マイクロ波の導入窓７は、真空を保持
できかつマイクロ波を透過できる部材、例えば、石英等
で形成されている。この導入窓７から処理室２にマイク
ロ波を導き、該マイクロ波によりプラズマ９を発生させ
るようになっている。プラズマ９の周囲には磁石１０が
設置されており、プラズマ９の径方向への拡散を防止し
ている。

【００２７】前記磁石１０は、図３に示すように、極性
が異なる偶数個の小片を円周上に交互に配列し、全体と
してリング状に形成されている。この磁石１０からは、
内側に磁力線１１が発生し、該磁力線１１によりプラズ
マ９を閉じ込める多重カスプ磁場を形成し、プラズマ９
の周囲の拡散を防止している。あるいは、磁石がマイク
ロ波の進行方向と平行になるように上下方向の両端に極
を有する様に磁石をリング上に配列してもよい。

【００２８】処理室２には、真空排気手段１２および反
応ガス供給手段１３が設けられている。

【００２９】被処理基板１４を載置する基板電極１５に
は、電源１６が接続されており、上記プラズマ９と被処
理基板１４間に生じるバイアス電圧を制御することで、
被処理基板１４に入射するイオンのエネルギ−、量をプ
ロセスに応じて最適化できる。ここで、プロセスによっ
てプラズマで励起した中性ラジカルのみが必要な場合は
上記電源１６は必要なくなる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、生産の効
率化等の目的で大面積化が必要な被処理基板に対して安
定したマイクロ波プラズマを均一に発生することが可能
なため、該被処理基板の処理に必要な反応ガスを効率よ
く均一に励起することができ、その結果、大面積な被処
理基板の高速均一処理が可能となる。また、高密度プラ
ズマの発生によりプラズマ、被処理基板間に生じる電圧
は低くなり被処理基板に入射するイオンが原因となるダ
メ−ジも低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する装置の一実施例を示す縦断面
図である。

【図２】本発明を実施する装置の一実施例を示す縦断面
図である。

【図３】マイクロ波の低次モ−ドにおける電磁界分布で
ある。

【図４】図１中の磁場発生手段としての磁石の平面図で
ある。

【符号の説明】

１・・・マイクロ波導入部、 ２・・・処理室、 ３・・・導波管、 ４・・・導入口、 ５・・・マイクロ波発生源、 ６・・・プランジャ−、 ７・・・導入窓、 ８・・・空胴共振器、 ９・・・プラズマ、 １０・・・磁石、 １１・・・磁力線、 １２・・・真空排気手段、 １３・・・反応ガス供給手段、 １４・・・被処理基板、 １５・・・基板電極、 １６・・・電源。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄膜処理用の複数の反応ガスを用いて、所
   定の基板上に物理的あるいは化学的処理（ＣＶＤ，エッ
   チング等）を行なうプラズマ処理方法において、基板上
   で特定のマイクロ波モ−ドでのみプラズマを発生させる
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】薄膜処理用の複数の反応ガスを用いて、所
   定の基板上に物理的あるいは化学的処理（ＣＶＤ，エッ
   チング等）を行なう、マイクロ波の空胴共振を利用した
   プラズマ処理装置において、マイクロ波の空胴共振器内
   に整合器であるプランジャ−を有した端面近傍の径に対
   し、プラズマを発生させる処理室に面した端面近傍の径
   が大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】プランジャ−を有した端面近傍部分と、プ
   ラズマを発生させる処理室に面した端面近傍部分を結合
   する中間部分がテ−パ形状を有する空胴共振構造である
   ことを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】テ−パ部両端の管内波長をλｇ１、λｇ２
   とするとテ−パ部の長さｄが、ｄ＝ｎ（λｇ１＋λｇ２
   ）／４（ｎ＝１，２，３，・・・）をほぼ満足する寸法
   を有する空胴共振構造であることを特徴とする請求項３
   記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】プランジャ−を有した端面近傍部分と、プ
   ラズマを発生させる処理室に面した端面近傍部分を結合
   する中間部分が、ステップ状に徐々に広がる形状を有す
   る空胴共振構造であることを特徴とする請求項２記載の
   プラズマ処理装置。
6. 【請求項６】ステップ部の管内波長をλｇとするとテ−
   パ部の長さｄが、ｄ＝（ｎ２＋１／４）λｇ／４　　（
   ｎ＝０，１，２，・・・）をほぼ満足する寸法を有する
   空胴共振構造であることを特徴とする請求項５記載のプ
   ラズマ処理装置。
7. 【請求項７】プランジャ−を有する面と同径の側面に接
   続された導波管の幅とプランジャ−を有する面の径が一
   致していることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処
   理装置。