JPH05343195A - マイクロ波プラズマプロセス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インピーダンス整合性を向上し、マイクロ波
マッチングを改善して安定したプラズマを発生でき、再
現性が良いエッチング処理または成膜処理を行い得るマ
イクロ波プラズマプロセス装置を提供する。 【構成】 マイクロ波導入口1cにマイクロ波透過物質８
を介在させると共に、プラズマ生成室１の端部に、マイ
クロ波透過物質８から適長離隔させて、マイクロ波透過
物質９を介在させている。両マイクロ波透過物質８，９
の間隔は、使用するマイクロ波のマッチング特性が最適
となるように設定される。

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により発生さ
せたプラズマを利用したエッチング装置，成膜装置とし
て用いられるマイクロ波プラズマプロセス装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電子サイクロトロン共鳴励起によりプラ
ズマを発生させるマイクロ波プラズマプロセス装置は、
低ガス圧で活性度が高いプラズマを生成でき、イオンエ
ネルギーの広範囲な選択が可能であり、また大きなイオ
ン電流がとれ、イオン流の指向性，均一性に優れるなど
の利点があり、高集積半導体素子等の製造に欠かせない
ものとしてその研究，開発が進められている。

【０００３】図２は、エッチング装置として構成した従
来におけるマイクロ波を用いた電子サイクロトロン共鳴
励起を利用するマイクロ波プラズマプロセス装置の縦断
面図であり、図中31はプラズマ生成室を示している。プ
ラズマ生成室31は周囲壁を２重構造にして冷却水の通流
室31a を備え、また上部壁中央には石英ガラス板31bに
て封止したマイクロ波導入口31c を、更に下部壁中央に
はマイクロ波導入口31c と対向する位置にプラズマ引出
口31d を夫々備えている。マイクロ波導入口31c には他
端を図示しないマイクロ波発振器に接続した導波管32の
一端が接続され、またプラズマ引出口31d に臨ませて試
料室33を配設し、更に周囲にはプラズマ生成室31及びこ
れに接続された導波管32の一端部にわたってこれらを囲
繞する態様でこれらと同心状に励磁コイル34を配設して
ある。

【０００４】試料室33内にはプラズマ引出口31d と対向
する位置に試料台37が配設され、その上にはウエーハ等
の試料Ｓがそのまま、又は静電吸着等の手段にて着脱可
能に載置され、また試料室33の下部壁には、図示しない
排気装置に連なる排気口33aが開口されている。31g は
プラズマ生成室31に連なるガス供給系、33g は試料室33
に連なるガス供給系、31h,31i は冷却水の供給系, 排出
系である。

【０００５】而してこのようなエッチング装置にあって
は、プラズマ生成室31、試料室33内を所要の真空度に設
定した後、プラズマ生成室31内にガス供給系31g を通じ
てガスを供給し、励磁コイル34にて磁界を形成しつつマ
イクロ波導入口31c を通じてプラズマ生成室31内にマイ
クロ波を導入し、プラズマ生成室31を空洞共振器として
ガスを共鳴励起し、プラズマを生成させる。生成したプ
ラズマは励磁コイル34にて形成される試料室33側に向か
うに従い磁束密度が低下する発散磁界によって試料室33
内の試料Ｓ周辺に投射せしめられ、試料室33内の試料Ｓ
表面をエッチングするようになっている（特開昭57-133
636 号公報) 。

【０００６】ところで上述した従来装置ではプラズマ生
成室31の上部壁に開口するマイクロ波導入口31c はマイ
クロ波の透過を許容する石英ガラス板31b にて気密状態
に封止されているが、石英ガラス板31b はマイクロ波導
入口31c を塞ぐ態様でその外側周縁部に配置され、導波
管32の端部のフランジ32a と重ねた状態で止め具32bに
て拘止されている。従ってマイクロ波に対する空洞共振
器として機能するプラズマ生成室31側からみた場合、マ
イクロ波導入口31c 内は空間となっており、プラズマ生
成室31の内壁面との間に段差が形成される結果、この部
分でマイクロ波が異常反射し、またこれに起因してプラ
ズマ分布の均一性が悪化する等の問題があった。

【０００７】この対策として図３に示す如きマイクロ波
プラズマプロセス装置が出願されている（特開昭63-318
099 号公報) 。このような装置の部分断面図である図３
において、プラズマ生成室31に開口するマイクロ波導入
口31c 内に、これを充足する態様でプラズマ生成室31の
内壁面と面一となるようマイクロ波透過物質48を介在さ
せてある。他の構成は前述の図２に示す装置と実質的に
同じであり、対応する部分には同じ番号を付してある。
マイクロ波透過物質48はマイクロ波導入口31cの直径及
び軸長方向寸法に略等しい円板部48a の上端側に、これ
よりも大きい矩形のフランジ部48b を設けて構成され、
円板部48a をマイクロ波導入口31c に密に嵌合せしめ、
またフランジ部48b をマイクロ波導入口31c の外部周縁
に図示しないＯリング等を介在させて当接せしめてあ
り、円板部48a の下端面はプラズマ生成室31の内壁面と
面一となるように位置している。

【０００８】而してこのような従来装置にあってはプラ
ズマ生成室31の上部壁に開口するプラズマ導入口31c は
マイクロ波透過物質48にて隙間なく充足された状態とな
っており、マイクロ波の異常反射を生じることがなく、
それだけマイクロ波の反射率が低減され、プラズマの生
成も均一化されることとなる。ところが、このような従
来装置にあっては、マイクロ波導入口31c とプラズマ生
成室31との直径の差異が存在し、この直径の差異に起因
するマイクロ波の異常反射を解消出来ず、これに起因し
て複雑なマイクロ波電場分布が生じプラズマ分布の均一
性が十分でないという問題があった。

【０００９】このような問題を解決するために、プラズ
マ生成室31側にもマイクロ波透過物質を介在させる図４
に示す如きマイクロ波プラズマプロセス装置が考えられ
る。このような装置の縦断面図である図４において、マ
イクロ波導入口31c にマイクロ波透過物質48を介在せし
めるだけでなく、これと対向するプラズマ生成室31の端
部にもその全断面にわたってマイクロ波透過物質49を介
在せしめている。なお、他の構成は図２，図３に示す装
置と実質的に同じであり、対応する部分には同じ番号を
付してある。このような構成とすることにより、プラズ
マ生成室31におけるマイクロ波の電界強度の均一性が向
上し、マイクロ波導入口31c とプラズマ生成室31との直
径の差異に起因するマイクロ波の異常反射が抑制され、
均一なプラズマ分布が得られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したよ
うな従来装置にあっては、マイクロ波導入のためのマイ
クロ波透過物質とプラズマが広い面積で接しているため
に、マイクロ波の伝播はプラズマの状態の影響を強く受
けるようになり、インピーダンスの不整合に起因すると
考えられるマイクロ波のマッチング不良が高頻度にて発
生して、プラズマ発光強度の変化が起こり、安定したプ
ラズマを発生し難いという問題があり、改善の余地があ
った。

【００１１】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、インピーダンス整合性を向上し、マイクロ波マ
ッチングを改善して、安定したプラズマを発生でき、再
現性が良いエッチング処理または成膜処理を行い得るマ
イクロ波プラズマプロセス装置を提供することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係るマイクロ波
プラズマプロセス装置は、マイクロ波導入口が開口され
たプラズマ生成室を備えたマイクロ波プラズマプロセス
装置において、前記プラズマ生成室の内壁面と面一とな
るようにマイクロ波導入口を埋める形状で形成されたマ
イクロ波透過物質とその断面がプラズマ生成室の内断面
に略等しく形成されたマイクロ波透過物質とを所定の距
離をおいてそれぞれマイクロ波導入口とプラズマ生成室
内に配置したことを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明のマイクロ波プラズマプロセス装置で
は、マイクロ波導入口におけるマイクロ波透過物質とプ
ラズマ生成室の端部におけるマイクロ波透過物質とを最
適な距離の空間を介して介在せしめることにより、プラ
ズマとのインピーダンス整合性が向上し、マイクロ波マ
ッチングが改善されて、安定したプラズマが発生され
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明をその一実施例を示す図面に基
づいて具体的に説明する。

【００１５】図１は、本発明に係るマイクロ波プラズマ
プロセス装置 (以下本発明装置という) の縦断面図であ
り、図中１はプラズマ生成室、２は導波管、３はエッチ
ング、或いは成膜を施す試料Ｓを配置する試料室、４は
励磁コイルを示している。

【００１６】プラズマ生成室１は周囲壁を２重構造とし
て冷却水の通流室1aを備える中空円筒形をなし、マイク
ロ波に対して空洞共振器を構成するように形成されてい
る。上部壁中央にはマイクロ波導入口1cを備え、また下
部壁中央にはマイクロ波導入口1cと対向する位置にプラ
ズマの引出窓1dを備えている。マイクロ波導入口1cには
導波管２の一端部が接続され、またプラズマ引出窓1dに
はこれに臨ませて試料室３が配設され、更に周囲にはプ
ラズマ生成室１及びこれに連結された導波管２の一端部
にわたって励磁コイル４が周設せしめられている。

【００１７】導波管２の他端部は図示しないマイクロ波
発振器に接続され、発生したマイクロ波をプラズマ生成
室１内に導入するようにしてある。また励磁コイル４は
図示しない直流電源に接続されており、直流電流の通流
によって磁界を形成させ、プラズマ生成室１内にマイク
ロ波を導入することによりプラズマを生成させ、また励
磁コイル４によって、試料室３側に向けて磁束密度が低
くなる発散磁界を形成させ、この発散磁界によって、プ
ラズマ生成室１内に生成されたプラズマを試料室３内に
投射せしめるようになっている。試料室３には、プラズ
マ引出窓1dと対向する底壁には図示しない排気装置に連
なる排気口3aを開口してあり、また内部にはプラズマ引
出窓1dの直下にこれと対向させて試料台７が配設され、
この試料台７上にプラズマ引出窓1dと対向させて試料Ｓ
が配設されている。1gはプラズマ生成室１に連なるガス
供給系、3gは試料室３に連なるガス供給系、1h, 1iは冷
却水の供給系, 排出系である。

【００１８】そして本発明装置にあっては、マイクロ波
導入口1c内及びマイクロ波導入口1cに面するプラズマ生
成室１の端部内に、石英ガラス, セラミック（Ａｌ₂ Ｏ
₃ ，ＢＮ）, 耐熱性高分子材料 (テフロン, ポリイミ
ド) 等からなるマイクロ波透過物質８，９を夫々に設け
ている。マイクロ波透過物質８は、マイクロ波導入口1c
の直径及び軸長方向寸法に略等しい円板部8aの上端側に
これよりも大きい円形のフランジ部8bを設けて構成さ
れ、円板部8aをマイクロ波導入口1cに密嵌合せしめ、ま
たフランジ部8bをマイクロ波導入口1cの外部周縁に図示
しないＯリング等を介在させて気密状態に当接せしめて
あり、この状態では円板部8aの下端面はプラズマ生成室
１の内壁面と面一となるように位置している。またマイ
クロ波透過物質９は直径がプラズマ生成室１の直径と略
等しい所定厚さの円板形に形成されており、プラズマ生
成室１の上端部に密に嵌合固定せしめられている。マイ
クロ波透過物質９の周縁部とプラズマ生成室１の上部壁
との間には、マイクロ波透過物質９と同材質のスペーサ
10（厚さＤmm）が介在されており、このスペーサ10の介
在により、マイクロ波透過物質８とマイクロ波透過物質
９とはＤmmだけ離隔して位置決めされており、両物質
８，９間に長さＤmmの空間11が存在している。

【００１９】而してこのような本発明装置にあっては、
試料室３内の試料台７上に試料Ｓを載置し、プラズマ生
成室１，試料室３内を所要の真空度に設定した後、ガス
供給管1g,3g を通じてガスをプラズマ生成室１, 試料室
３内に供給し、このような状態で励磁コイル４に直流電
流を通流すると共に、導波管２, マイクロ波透過物質
８，空間11，マイクロ波透過物質９を通じてマイクロ波
をプラズマ生成室１内に導入する。これによってガスは
効率的に電離されてプラズマが生成され、生成したプラ
ズマは励磁コイル４にて形成される発散磁界によって試
料室３内に導入され、試料室３内のガスを活性化し、試
料Ｓ表面へのエッチング処理または成膜処理が行われる
こととなる。

【００２０】次に、マイクロ波透過物質８とマイクロ波
透過物質９との離隔距離Ｄmmを変化させてマイクロ波の
マッチング状態を調べた結果について説明する。多結晶
シリコンのエッチングに使われるＣｌ₂ 系のプラズマに
ついて実験を行い、ガス圧力を1.4mTorr, 5.0mTorr, 7.
0mTorrと変化させ、マイクロ波のパワー（Ｐμ）を 1.0
〜2.0 kWの範囲内で変化させて、マッチングの良否を確
認した。この実験の結果を第１表〜第４表に示す。第１
表はＤ＝０mm、つまりマイクロ波透過物質８,９を密着
させて介在させた装置（図４に示す従来の装置）の場合
を示しており、第２表，第３表，第４表は何れも一定の
距離を隔ててマイクロ波透過物質８, ９を介在させた本
発明装置の場合を示し、夫々Ｄ＝１mm，Ｄ＝２mm，Ｄ＝
３mmとしたときの結果を示している。各表において、○
はマッチングが良好であることを表し、△はプラズマハ
ンチングがあったことを表し、×はマッチングが不良で
あることを表している。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】

【表３】

【００２４】

【表４】

【００２５】第１表に示す従来の装置では、ガス圧＝５
〜７ mTorr, Ｐμ＝ 1.8〜1.9 kWの範囲でマッチング不
良が確認されているが、第２，３，４表に示す本発明装
置では、このような著明なマッチング不良は確認されな
かった。従って、一定の距離を隔ててマイクロ波透過物
質８, ９を介在させた本発明装置では、密着させてマイ
クロ波透過物質８, ９を介在させた従来の装置に比べ
て、マッチング特性は向上している。また、第２，３，
４表に示された結果より、マイクロ波透過物質８, ９間
の離隔距離には最適距離が存在することがわかり、本実
施例ではＤ＝２mmが最適であった。但し、このＤは、マ
イクロ波透過物質の形状または材質に応じて調整すれば
よい。

【００２６】なお、上述の実施例は本発明装置をエッチ
ング装置または成膜装置に適用した構成について説明し
たが、何らこれに限るものではなく、例えばスパッタリ
ング装置等にも適用し得ることは勿論である。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明のマイクロ波プラズ
マプロセス装置では、マイクロ波導入口及びプラズマ生
成室の端部にその全断面にわたって、マイクロ波透過物
質を所定の距離だけ隔てて介在せしめているので、プラ
ズマとのインピーダンスの整合性が向上してマイクロ波
のマッチングが改善され、安定したプラズマを発生する
ことができ、再現性が良いエッチング処理または成膜処
理等を行なえる等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるマイクロ波プラズマプ
ロセス装置の縦断面図である。

【図２】従来のマイクロ波プラズマプロセス装置の縦断
面図である。

【図３】従来のマイクロ波プラズマプロセス装置の部分
縦断面図である。

【図４】従来のマイクロ波プラズマプロセス装置の縦断
面図である。

【符号の説明】

１ プラズマ生成室 1c マイクロ波導入口 1d プラズマ引出窓 ２ 導波管 ３ 試料室 ４ 励磁コイル ７ 載置台 ８，９ マイクロ波透過物質 10 スペーサ 11 空間 Ｓ 試料

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波導入口が開口されたプラズマ
   生成室を備えたマイクロ波プラズマプロセス装置におい
   て、前記プラズマ生成室の内壁面と面一となるようにマ
   イクロ波導入口を埋める形状で形成されたマイクロ波透
   過物質とその断面がプラズマ生成室の内断面に略等しく
   形成されたマイクロ波透過物質とを所定の距離をおいて
   それぞれマイクロ波導入口とプラズマ生成室内に配置し
   たことを特徴とするマイクロ波プラズマプロセス装置。