JPH04355915A

JPH04355915A - プラズマ生成方法及び装置

Info

Publication number: JPH04355915A
Application number: JP23298591A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kakehi; 掛樋　豊; Seiichi Watanabe; 成一渡辺; Makoto Nawata; 誠縄田; Saburo Kanai; 三郎金井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-12
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1992-12-09

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、プラズマ生成方法及び
装置に係り、特に半導体素子基板等の試料をマイクロ波
を用いて生じさせたプラズマにより処理するのに好適な
プラズマ生成処理方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロ波生成技術は、例えば、
日立評論Ｖｏｌ．７１（１９８９）、Ｎｏ．５、Ｐ３３
〜３８に記載のように、マイクロ波を伝播する導波管内
に石英製の放電管を有し、外部磁場とマイクロ波電界の
作用により放電管内でプラズマを生成させるものが知ら
れている。そして、該プラズマを利用して半導体ウエハ
を処理するようになっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、電磁
界の作用により高密度のプラズマが得られる、すなわち
、磁界によってプラズマの拡散が抑制され均一な高密度
のプラズマが得られる。しかし、大口径のプラズマにお
ける均一性の点についてはまだ充分でない。すなわち、
上記のような従来技術では、マグネトロンを導波管に結
合し、マイクロ波はＴＥ１１モードのかたち（第３図参
照）で導波管内を伝播させるようにしていた。このため
放電管内の電界分布もＴＥ１１モードが現われ、放電管
内では軸中央部がやや高い電界分布となり、プラズマ密
度もこれに伴い軸中央部がやや強くなっていた。これに
より、方向性を有さないラジカル種に対しては、放電管
内のプラズマから十分拡散して試料の被処理面に到達す
るので十分な均一性が得られるが、方向性を有するイオ
ンに対しては拡散が不十分となり均一性が幾分劣る結果
となって、試料の被処理面での処理速度や形状制御の均
一性が完全とはいえなかった。

【０００４】本発明の目的は、放電領域で均一性良くプ
ラズマを生成できるプラズマ生成方法及び装置を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、特定の複数モードのマイクロ波を発生させる手段と
、特定の複数のモードのマイクロ波を重ね合わせ放電領
域に伝播する手段と、放電領域を減圧排気する手段と、
放電領域にガスを供給する手段とを備え、特定の複数モ
ードのマイクロ波を重ね合わせ、該重ね合わせたマイク
ロ波電界を用いて放電領域でプラズマを生成するように
したものである。

【０００６】

【作用】複数モードのマイクロ波、例えば、放電領域の
中央部に高い電界を形成するマイクロ波と、放電領域の
周辺に高い電界を形成するマイクロ波とを重ね合わせる
ことによって、放電領域全体により均一なマイクロ波電
界分布を得ることができ、このような均一分布のマイク
ロ波電界を用いることにより、放電領域に均一なプラズ
マを生成することができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図７に
より説明する。図１はこの場合、有磁場型のマイクロ波
プラズマ処理装置を示す。１，２はマグネトロンで、２
３，２４はそれらの電源で、これらによりマイクロ波の
発振源を構成する。３ないし６は導波管であり、３は矩
形導波管で図２に示すように、この実施例では略正方形
断面を有している。４は円矩形導波管で、５は円形導波
管で、６はテーパ管である。放電室７は、例えば、純度
の高いＡｌ等で作られており、導波管の役目もしている
。８は真空室である。９は放電室７の上端部に設けられ
放電室７を外部と遮断するとともにマイクロ波の導入口
である石英板である。１０，１１はコイルで、２１，２
２はそれらの電源であり、放電室７内に磁場を与える。１２は半導体素子基板（以下、「ウエハ」という。）１
４を載置する試料台であり、この場合、バイアス用電源
、例えば、高周波電源１３が接続されている。１５は放電室７内にエッチング，成膜等のプラズマ処理
を行なうための処理ガスを供給するガス供給系である。１６は放電室７および真空室８内を減圧排気するための
真空ポンプ系である。

【０００８】なお、図１で、円形導波管５，テーパ管６
，石英板９および試料台１２の試料設置面は、略同軸の
中心軸を有している。また、試料台１２の試料設置面で
のウエハ１４の設置は、例えば、機械的押付け力や静電
吸着力等を利用して実施される。また、試料台１２は、
温度制御手段（図示省略）を備え、該手段により試料台
１２の試料設置面に設置されたウエハ１２の温度は所定
温度に調整される。

【０００９】２５は制御装置であり、コイル１０，１１
の電源２１，２２およびマグネトロン１，２の電源２３
，２４を制御する。この場合は、これらの電源に時間的
に変化する信号を供給可能になっている。

【００１０】このように構成された装置において、マグ
ネトロン１は、矩形導波管３に取り付けられ、この場合
、矩形導波管３内でＴＥ１１モードの電界を発生させる
。一方、マグネトロン２は、矩形導波管３の円矩形導波
管４の連結端とは反対側壁に取り付けられ、この場合、
矩形導波管３内でＴＭ０１モードの電界を発生させる。ＴＭ０１モードの電界は、矩形導波管を略正方形断面に
することにより発生される。これにより、放電領域であ
る放電室７内には、ＴＥ１１モードとＴＭ０１モードの
重ね合わされた電界が伝播される。

【００１１】ここで、ＴＥ１１モードの電界は、図３に
示すように、放電室７の軸中央部が高い電界分布を示し
、一方、ＴＥ０１モードの電界は、図４に示すように、
放電室７の周辺部で高い電界分布を示す。このＴＥ１１
モードとＴＭ０１モードとを重ね合わせることで、放電
室７内全体により均一な電界分布を得ることができる。これにより、放電室７内では、放電室７内全体により均
一な分布を有する電界とコイル１０，１１による磁場と
の相乗作用により高密度のプラズマが均一性良く生成さ
れ、放電室７内のプラズマから充分拡散してウエハ１４
の被処理面に到達するラジカル種並びに拡散がやや不充
分なイオンのそれぞれに対して十分な均一性を得ること
ができる。

【００１２】つまり、図１で、放電室７内および真空室
８内は、真空ポンプ系１６の作動により所定圧力に減圧
排気される。一方、ウエハ１４が、この場合、公知の搬
送手段（図示省略）により放電室７，真空室８内に搬入
される。該搬入されたウエハ１４は、搬送手段から試料
台１２に渡され、被処理面を上向き姿勢で試料台１２の
試料設置面に設置される。なお、ウエハ１４を試料台１
２に渡した搬送手段は、ウエハ１４の処理を阻害しない
場所に退避させられる。また、処理用ガスが、ガス供給
系１５より放電室７内に所定流量で供給される。放電室
７内に供給された処理用ガスの一部は真空室８を介して
真空ポンプ系１６で排気され、これにより放電室７内の
圧力は、所定圧力に調整される。この状態で、マグネト
ロン１および２からそれぞれマイクロ波が発振される。また、コイル１０，１１が作動開始され放電室７に磁場
が形成される。これにより、上記したように放電室７内
全体により均一な分布を有する電界と磁界との相乗作用
により放電室７内の処理用ガスがプラズマ化される。試
料台１２の試料設置面に設置されたウエハ１４の被処理
面は、該プラズマを利用して処理される。つまり、ウエ
ハ１４の被処理面にプラズマ中のイオン，ラジカルが共
に均一に到達して、エッチング処理やデポジション処理
が行なわれる。このような処理中、ウエハ１４の温度は
、温度制御手段の作動により所定温度に制御される。

【００１３】また、制御装置２５は、例えば、図５に示
すようにパルス状の指令を電源２１，２２に与え、コイ
ル１０，１１により発生する磁場をＯＮ，ＯＦＦさせる
。これにより、ＯＮさせたときはマイクロ波電界の磁界
の相乗作用によって高密度のプラズマが生成され、ＯＦ
Ｆさせたときはプラズマの拡散が図られ、放電領域全体
にわたってさらに均一なプラズマが生成される。また、
磁場のＯＮ，ＯＦＦに限らず、磁場をＯＦＦさせる代わ
りに弱くして強弱を繰り返すようにしても良く、また、
時間変化のさせ方も、矩形パルス状でなく三角波または
ノコギリ状のパルスにしても良い。

【００１４】さらに、図６に示すようにコイル１０，１
１用の電源２１，２２の制御と共に、マグネトロン１，
２の電源２３，２４に与える指令もパルス状の指令を与
えるようにしても良い。これにより、電源２３，２４の
パワーを有効に使用して強電界をプラズマに投入できる
ので、電磁界の相互作用時に、より高密度のプラズマを
生成できる。また、電磁界の相互作用をより有効に使う
ために、磁界と電界の強弱をマッチングさせるのが良く
、そのために磁場コイルのリアクタンスによる磁界生成
の時間送れを考慮して、図７に示すようにマグネトロン
１，２用の電源２３，２４への指令を遅れ補償時間分だ
け遅らせて伝達するのがより効果的である。

【００１５】以上、本実施例によれば、次のような効果
が得られる。（１）ＴＥ１１モードとＴＭ０１モードとを重ね合わせ
ることで放電室全体により均一な電界分布を得ることが
できる。従って、放電室内では、放電室全体により均一
な分布を有する電界と磁界との相乗作用により高密度の
プラズマが均一性良く生成され、放電室内のプラズマか
ら十分拡散してウエハの被処理面に到達するラジカル種
並びに拡散がやや不十分なイオンのそれぞれに対して十
分な均一性が得られる。（２）ウエハの被処理面にプラズマ中のイオン，ラジカ
ルが共に均一に到達してエッチング処理やデポジション
処理が行なわれる。特にエッチング処理ではイオンの均
一性が良くなるのでウエハの被処理面でのエッチング処
理速度の均一並びにエッチング形状の均一性、精密性が
向上する。（３）放電室内等にマイクロ波電界分布を均一化してプ
ラズマを均一に生成するための手段を設ける必要がない
ため、放電室内等の構造を簡略化でき保守点検を容易化
できる。また、これと共に、これらの手段によるウエハ
汚染を防止でき処理品質の向上、歩留まりの向上に有効
である。（４）磁界の発生をパルス状に制御することにより、プ
ラズマの拡散状態を形成できるので、さらに放電領域全
体にわたって均一性を向上させることができる。

【００１６】なお、本一実施例では、磁場を用いている
が、効果（１）ないし（３）については、磁場を用いな
い場合でも同様に適用できる。つまり、ＴＥ１１モード
とＴＭ０１モードとを重ね合わせることで放電室全体で
より均一な電界分布を得ることができ、放電室内では、
放電室全体により均一な分布を有する電界によりプラズ
マが均一性良く生成される。つまり、放電室内のプラズ
マから充分拡散してウエハの被処理面に到達するラジカ
ル種並びに拡散がやや不充分なイオンそれぞれに対して
充分な均一性が得られる。これにより、ウエハの被処理
面にプラズマ中のイオン，ラジカルが共に均一に到達し
てエッチング処理，デポジション処理，アッシング処理
等が行なわれる。

【００１７】また、本一実施例では、放電室全体により
均一な電界分布を得るために、ＴＥ１１モードとＴＥ０
１モードとを重ね合わせるようにしているが、重ね合わ
せるモードとしては、特にこれらのモードに限定される
ものではなく、つまり、放電室全体でより均一な電界分
布を得ることができるように、特定のモードを複数モー
ド選択し、これらモードを重ね合わせるようにすれば良
い。

【００１８】次に、本発明の第２の実施例を図８により
説明する。本図において、図１と同符号は同一部材を示
し、説明を省略する。図８で、マグネトロン１は、前記
一実施例と同様に矩形導波管３に取り付けられているが
、前記一実施例でのマグネトロン２は取り付けられてい
ない。矩形導波管３は、円矩形導波管４，円形導波管５
，拡大管３１を経て放電室７に接続されている。また、
放電室７の壁面近傍には補助コイル３２が同心円状に設
置してある。

【００１９】このように構成された装置では、伝播して
きたマイクロ波は、拡大管３１の部分で急激に拡大され
る。このため、ＴＥモードの他にＴＭモードを生じ、そ
の後、放電室で縮小されてもＴＭ波、例えば、ＴＭ０１
波は残っており、放電室７内には、ＴＥ波とＴＭ波とが
重ね合わされて伝播される。

【００２０】したがって、本第２の実施例のようにマグ
ネトロンが１つでも、前記一実施例で示したものと同様
の作用，効果が生じ、充分に均一性向上を達成すること
ができる。また、本第２の実施例においては、拡大管３
１の寸法を特定のモードと共振するように作成する、つ
まり、特定のモードと共振し易くして基本モードとを重
ね合わせることも可能で、例えば、ＴＥ４１と外周部に
強い電界を有するモードを選定するのも一つの手段であ
る。勿論、ＴＭ波と共振させても良い。なお、放電室７
は、拡大管３１に対してみると小径導波管であり、拡大
管と小径導波管とが組み合わされたものとなっており、
これにより高次モードの限定が実施される。さらに、補
助コイルの設置により、磁場を弱めてプラズマの拡散を
しやすくした状態での放電室７への電子の流出（壁での
滅亡）をなくし、プラズマの閉じ込め作用が得られるの
で、プラズマ領域全体でのプラズマ密度の低下を防ぎつ
つプラズマの均一化を図ることができる。

【００２１】次に、本発明の第３の実施例を図９により
説明する。本図において、図１と同符号は同一部材を示
し、説明を省略する。図９で、拡大管３３の後に小径の
円形導波管３４を接続させ、テーパ管６を介して放電室
７に接続させている。上記のように構成した装置では、
拡大管３３で生じたモードの内、小径の円形導波管３４
を通過し得るモードに限定することができる。例えば、
小径の円形導波管３４の径を１１０ｍｍにした場合、Ｔ
Ｅ１１モードとＴＭ０１モードのみを通過できるので、
マイクロ波電界の制御がしやすいという特徴を有する。

【００２２】なお、前記各実施例の他に、マイクロ波電
界を計測し、該計測結果に基づいてマグネトロンの入力
電圧を制御することで特定の複数モードの重ね合わせを
制御し、これにより均一性の良いプラズマを生成し、ま
た、該均一性の良いプラズマを利用してウエハを所定処
理するようにしても良い。マイクロ波電界を計測するに
は、真空中よりも大気中の方がプラズマへの影響を与え
にくいので、前記各実施例での石英板９に入る前で計測
するのが望ましい。マイクロ波電界の計測には、アンテ
ナを用いるのが良い。一度調整したら条件を変えない場
合には、アンテナを引っ込むように工夫し、また、プラ
ズマ中でマイクロ波電界を計測する場合には退避させる
のがより有効である。また、前記各実施例において、さ
らに、放電室７を特定モードと共振しやすく（例えば、
ウエハと試料台とを反射面とする）、ＴＥ１１の基本モ
ードと重ね合わせるようにしても良い。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、放電領域でプラズマを
均一性良く生成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である有磁場型のマイクロ波
プラズマ処理装置を示す構成図である。

【図２】第１図の矩形導波管の縦断面図である。

【図３】ＴＥ１１モードの電気力線とパワー密度の平面
模式図である。

【図４】ＴＭ０１モードの電気力線とパワー密度の平面
模式図である。

【図５】第１図のコイル用電源への指令例を示すタイム
チャートである。

【図６】第１図のコイル用電源およびマグネトロン用電
源への指令例を示すタイムチャートである。

【図７】第１図のコイル用電源およびマグネトロン用電
源への指令例を示すタイムチャートである。

【図８】本発明の第２の実施例である有磁場型のマイク
ロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。

【図９】本発明の第３の実施例である有磁場型のマイク
ロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１，２……マグネトロン、３……矩形導波管、４……円
矩形導波管、５，３４……円形導波管、６……テーパ管
、７……放電室、８……真空室、９……石英板、１０，
１１…コイル、１２……試料台、１４……ウエハ、１５
……ガス供給系、１６……真空ポンプ系、２１ないし２
４……電源、２５……制御装置、３１，３３…拡大管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】特定の複数モードのマイクロ波を重ね合わ
せ、該重ね合わせたマイクロ波電界を用い放電領域でプ
ラズマを生成することを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２】ＴＥ波とＴＭ波とを重ね合わせる請求項１
記載のプラズマ生成方法。
【請求項３】ＴＥ１１波とＴＭ０１波とを重ね合わせる
請求項２記載のプラズマ生成方法。
【請求項４】前記重ね合わせたマイクロ波電界にパルス
状の磁界を作用させ、相乗作用により前記放電領域にプ
ラズマを発生させる請求項１記載のプラズマ生成方法。
【請求項５】特定の複数モードのマイクロ波を重ね合わ
せ、該重ね合わせたマイクロ波電界を用い放電領域でプ
ラズマを生成し、該プラズマを利用して試料を処理する
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】特定の複数モードのマイクロ波を発生させ
る手段と、前記特定の複数のモードのマイクロ波を重ね
合わせ放電領域に伝播する手段と、前記放電領域を減圧
排気する手段と、前記放電領域にガスを供給する手段と
を備えたことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項７】前記マイクロ波発生手段として、ＴＥ波と
ＴＭ波とを発生させる手段を用いた請求項６記載のプラ
ズマ生成装置。
【請求項８】前記マイクロ波発生手段として、ＴＥ１１
波とＴＭ０１波とを発生させる手段を用いた請求項７記
載のプラズマ生成装置。
【請求項９】マイクロ波を発生させる手段として、２つ
のマイクロ波発生手段を用い、前記放電領域にマイクロ
波を伝播させる導波管にマイクロ波発振方向を異ならせ
て取り付けた請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】矩形導波管の長手軸に沿う方向にマイク
ロ波を発振可能に前記マイクロ波発振手段の一方を前記
矩形導波管に取り付け、前記矩形導波管の長手軸を横切
る方向にマイクロ波を発振可能に前記マイクロ波発振手
段の他方を前記矩形導波管に取り付けた請求項９記載の
プラズマ処理装置。
【請求項１１】前記矩形導波管が、略正方形断面を有す
る請求項１０記載のプラズマ生成装置。
【請求項１２】マイクロ波の伝播方向で前記放電領域を
有する放電室の前にＴＭモードの電界を生じる拡大管を
設けた請求項６記載のプラズマ生成装置。
【請求項１３】マイクロ波の伝播方向で拡大管の後に小
径導波管を設け、該小径導波管をテーパ管を介して前記
放電領域を有する放電室に連結した請求項６記載のプラ
ズマ生成装置。
【請求項１４】小径導波管として、直径１００ｍｍの円
形導波管を用いた請求項１３記載のプラズマ生成装置。
【請求項１５】特定の複数モードのマイクロ波を発生さ
せる手段と、前記特定の複数のモードのマイクロ波を重
ね合わせ放電領域に伝播する手段と、前記放電領域を有
する放電室と、該放電室内を減圧排気する手段と、前記
放電室内に処理用ガスを供給する手段と、前記放電領域
で生成したプラズマを利用して処理される試料が設置さ
れる手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置
。
【請求項１６】前記放電領域に磁場を形成するコイルを
設けた請求項１５記載のプラズマ処理装置。
【請求項１７】前記コイルに磁場を発生させるための電
源にパルス状の指令を送る制御手段を設けた請求項１６
記載のプラズマ処理装置。